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废水中共存的抗生素和重金属不仅造成了化学污染,而且还会诱导环境中抗生素耐药菌（Antibiotic resistance bacteria,ARB）及抗生素抗性基因（Antibiotic resistance gene,ARG）的产生,并加剧ARG的传播与扩散,危害人类健康。人工湿地（Constructed wetland,CW）作为一种广泛应用的低成本生态污水处理技术,其对重金属、抗生素和ARG显示出一定的净化能力。然而,CW对目标污染物的去除效率相对较低,并且CW由于具有生物膜法的特性极易成为ARG的储存库,因此仍需进一步优化其对抗生素、重金属的去除效能,并控制ARG的传播。微生物燃料电池（Microbial fuel cell,MFC）阳极厌氧阴极好氧的特性与CW底层厌氧顶层好氧相吻合,这为利用MFC技术强化CW的污染物去除创造了可行性。本论文将MFC嵌入CW内部,构造出湿地型微生物燃料电池（Constructed wetland-microbial fuel cell,CW-MFC）用于强化药物和个人护理用品（Pharmaceutical and Personal Care Products,PPCP）、抗生素及重金属的去除。通过开发新型锰矿石电极CW-MFC有效强化了胞外电子传递相关功能基因及产电菌Geobacter的丰度,并降低了系统产甲烷菌的丰度,强化了COD的去除,解决了以传统碳材料为电极的CW-MFC产电能力不稳定及产电菌难以富集的缺陷。基于高通量测序技术,探索了不同类型污染物在弱电场作用下的归趋,以及微生物群落组成及功能、ARG赋予特征、ARG宿主细菌归趋等对污染物聚集及电场存在的响应规律,从而揭示了影响了CW-MFC系统中ARG丰度变化的微生物学机制。通过从连续运行的CW-MFC出水中分离纯化出具有磺胺嘧啶（sulfadiazine,SDZ）耐药性的克雷伯氏菌,深入研究了菌体在不同电流强度条件下比生长速率、生物量、形态变化、可培养活菌数、膜通透性、细菌致死率、胞内活性氧（Reactive oxygen species,ROS）、ARG丰度及表达量的变化。并通过外加直流电的3D-BER反应器进一步探索了ARG在抗生素及重金属共存条件下对电流的响应特征,旨在为揭示ARG在CW-MFC中对电场的响应归趋提供进一步理论依据。主要的研究结论如下:（1）研究了CW-MFC开闭路运行模式以及水力停留时间（Hydraulic retention time,HRT）对典型PPCP及ARG归趋的影响。结果表明,闭路运行模式下带电小分子有机物在电场的作用下移动到电极表面形成双电层,从而提高了电极对PPCP的吸附能力并刺激了微生物的代谢活性,因此使系统具有更高的PPCP去除效果。闭路模式和高的HRT有助于增加微生物群落多样性,但是会显著富集ARG宿主微生物。PICRUSt功能基因预测结果表明,闭路运行的反应器富集了与代谢功能相关的基因并增大了ARG的聚集。（2）为强化CW-MFC中产电菌的富集,研发了锰矿石基质型CW-MFC。LEfse分析结果表明由于存在异化金属还原作用,电化学活性菌Geobacter在锰矿石系统中的平均丰度为25.7%,而在石墨基质系统中的丰度为0.9%。由于二氧化锰在阴极的催化作用,锰矿石基质CW-MFC始终保持更高的阴极电势,因此系统具有更高的输出电压和输出功率。PICRUSt功能基因预测结果证实,锰矿石系统显著富集了胞外电子传递功能基因并抑制了产甲烷功能基因,因此锰矿石系统产电效果增强且拥有更高的COD去除能力。石墨基质CW-MFC尽管拥有较低的电产生能力,却拥有较高的抗生素去除效率。因此系统对抗生素的去除效率并不仅取决于产电能力大小,而与基质类型也有关。冗余分析（Redundancy analysis,RDA）结果表明,基质类型、抗生素聚集和细菌群落组成变化是影响系统ARG丰度变化的主要因素。Network神经网络分析结果揭示了潜在的抗生素ARG宿主,并揭示了ARG和整合子基因int I的共出现模式。（3）探索了抗生素、重金属共存条件下,连续的Zn2+暴露对石墨基质CW-MFC系统中ARG丰度的影响。在起始阶段,Zn2+添加导致了目标ARG丰度提高,而过量的Zn2+聚集对微生物造成毒性并减少了细菌群落的多样性,从而降低了抗生素去除效率,并减少了ARG丰度。主成分分析（Principal component analysis,PCA）结果表明ARG和细菌群落分布特性受抗生素和Zn2+聚集量以及电路模式的影响。RDA、偏最小路径模型以及普世分析结果表明,抗生素和Zn2+聚集、细菌群落组成、电路模式、水平基因转移能力共同影响着ARG丰度。同时,持续的Zn2+聚集,改变了细菌群落组成和功能,从而降低了ARG丰度。方差分解分析结果揭示了目标污染物的聚集、电路模式、ARG丰度各自对群落组成及功能的贡献度。Network网络分析结果表明,ARG丰度、ARG宿主、污染物聚集、细菌群落和功能之间相互耦合,互相影响。（4）研究了直流电对分离纯化耐药菌克雷伯氏菌的影响,结果表明,在营养肉汤培养基中,随着电流的增大,溶液中乳酸脱氢酶含量增大,细菌膜通透性增大,菌体中三磷酸腺苷（Adenosine triphosphate,ATP）浓度增大,细菌代谢活性增强。菌体胞内ROS与电流呈正相关（R=0.94）,因此死菌的比例持续增大。同时,sul1和int I基因的表达量及丰度随电流增大显著提高。而在贫营养模拟废水培养基中生物量、比增长速率及活细菌计数随着电流的增大持续降低,死菌比例持续增加。电刺激降低了耐药菌在模拟废水中的活性,且sul和int I基因相对丰度与电流大小呈现显著负相关,导致克雷伯氏菌的耐药性降低。这些结果表明,富营养培养基有助于抗性质粒的维持,而贫营养培养基不足以维持抗性质粒代谢的需求,在电流的作用下质粒更易丢失。上述结果有助于揭示电场对耐药菌对ARB的作用机制。（5）抗生素及重金属Zn2+共暴露过程增加了SDZ和环丙沙星ARG的绝对丰度和相对丰度。3D-BER中的电场增加了ARG在电极上的富集并减少了其在出水的丰度。RDA分析结果表明,Zn2+和抗生素聚集是影响阴极细菌群落组成和ARG丰度的主要因素。Network神经网络分析结果表明,ARG以及它们的宿主细菌在电极上得到了富集。FAPROTAX细菌功能预测结果表明,发酵过程、化能异养过程基因丰度受电刺激而改变。因此,电流可以影响污染物的归趋,并可以有效减少ARG在出水中的传播风险。综上所述,该研究对于研发高效的污水资源化和无害化处理技术具有重要指导意义。