在硫自养反硝化与厌氧氨氧化（anammox）耦合系统中，防腐剂对生物载体生物膜和微塑料生物膜中的微生物群落及抗性基因产生了显著影响

《Environmental Research》：Distinct influence of preservatives on microbial community and resistance gene in bio-carrier biofilms and microplastic biofilms as revealed in sulfur autotrophic denitrification coupled with anammox system

微塑料（MPs）和生物载体在含甲基苯甲酸盐（MeP）及苯乙 胶 钠（BZC）的硫自养反硝化-厌氧氨氧化（SAD/A）系统中的生物膜特性差异。长期实验表明，0.5 mg/L MeP与2 mg/L BZC共同暴露使SAD/A总氮去除效率下降19.8%（75.36%），且MPs生物膜中外源抗性基因（eRGs）和内源抗性基因（iRGs）丰度（1.33×105-1.53×106 copies/ng DNA）显著高于生物载体生物膜（3.58×105-9.08×106 copies/ng DNA）。微生物群落结构受随机过程主导，但防腐剂诱导的潜在抗性基因宿主富集效应显著。

　　

张可|高景峰|郭毅|谢天|张毅|张金明|卢天一

中国北京工业大学环境工程系，国家先进市政废水处理与回用技术工程实验室，北京100124

摘要

微塑料（MPs）可以作为微生物的载体，并形成独特的生态位。甲基对羟基苯甲酸酯（MeP）和苯扎氯铵（BZC）在日常生活中常被用作防腐剂，它们与微塑料共存于废水环境中。本研究全面分析了生物载体生物膜和微塑料生物膜中抗性基因（RGs）的多样性特征以及微生物群落的变化，同时研究了在同时暴露于MeP（0.5 mg/L）和BZC（0.5-2 mg/L）条件下，硫自养反硝化耦合厌氧氨氧化（SAD/A）系统的性能变化。结果表明，0.5 mg/L的MeP和2 mg/L的BZC共同作用会降低SAD/A系统的总氮去除效率（从95.16%降至75.36%）。防腐剂对细胞内和细胞外抗性基因的富集有增强作用，这种效应在微塑料生物膜中更为显著（1.33×10⁵-1.53×10⁶拷贝/ng DNA），而在生物载体生物膜中则为3.58×10⁵-9.08×10⁶拷贝/ng DNA。Stappia、Microbacterium和Acidovorax等病原菌在微塑料生物膜中的丰度高于生物载体生物膜（分别为0.46%-2.11%）。在生物载体生物膜和微塑料生物膜中，微生物群落的组装主要由随机过程驱动，防腐剂促进了潜在抗性基因宿主的富集。这些发现为了解防腐剂存在下微塑料和生物载体在SAD/A系统中的不同生态特性提供了重要见解，有助于防腐剂和微塑料的管理与风险评估。

引言

微塑料（MPs）广泛存在于污水处理厂（WWTPs）中，并被认为是新兴污染物。MPs的来源可能包括个人护理产品中微珠的释放以及服装和纺织品中微纤维的脱落（Cheung等人，2017；Napper等人，2016）。微塑料的固有特性，如较大的比表面积、疏水性和粗糙的表面，促进了其在微塑料上的生物膜形成，从而导致微塑料生物膜中的微生物群落与环境中的不同（Tav?ano?lu等人，2025）。Su等人（2024）发现，微塑料生物膜的硝化活性比其他生物膜（玻璃、木材和石头）和环境海水高出0.9至12倍。此外，微塑料生物膜中的病原菌丰度也高于周围的水和土壤（Wang等人，2025b；Zhu等人，2022）。生物载体为微生物在废水处理过程中提供了附着表面，从而形成生物膜并提高废水处理效果。因此，比较微塑料和生物载体生物膜的特征对于评估微塑料在生物废水处理过程中的生态风险至关重要。

抗生素的滥用和不当使用加剧了抗性基因（RGs）的污染，从而降低了甚至取消了抗生素的治疗效果，这对社会的稳定和健康构成了威胁。污水处理厂接收来自医院、家庭和工业的废水，成为RGs传播的关键热点。抗性基因可以通过垂直基因转移（VGT）从亲代传递给后代，也可以通过水平基因转移（HGT）从其他细菌获得（Liu等人，2022）。HGT突破了物种间的生殖隔离屏障，使得遗传物质能够在种间或种内传递，途径包括接合、自然转化和转导。抗性基因有两种形式：细胞内抗性基因（iRGs）和细胞外抗性基因（eRGs），它们表现出不同的增殖模式（Wang等人，2023c）。iRGs的主要传播途径是VGT、接合和转导，而eRGs可能通过自然转化被细菌吸收（Liu等人，2018；Mao等人，2014）。在有毒压力下，细胞裂解、主动分泌和被动分泌是iRGs转化为eRGs的主要途径（Wang等人，2018）。eRGs在各种环境中普遍存在，其丰度甚至可与iRGs相当，因此不能忽视其生态风险（Zou等人，2022）。此外，据报道微塑料也是抗性基因的热点，能够吸收环境中的eRGs（Cheng等人，2022）。因此，迫切需要明确生物载体和微塑料生物膜中iRGs和eRGs的命运和作用。

甲基对羟基苯甲酸酯（MeP）和苯扎氯铵（BZC）分别属于对羟基苯甲酸酯类和季铵化合物（QACs），它们具有广谱抗菌作用、稳定的化学性质和较低的成本，因此在化妆品、制药和食品工业中广泛用作防腐剂（Wei等人，2021）。然而，由于这些化合物的应用广泛且代谢不完全，它们经常在污水处理厂中被检测到，威胁到了生物处理过程的稳定性。地表水中检测到的对羟基苯甲酸酯浓度可达0.527 mg/L，而污水处理厂进水和伊朗女性尿液中的浓度分别为0.56 mg/L和8.556 mg/L（Bolujoko等人，2022；Malakootian等人，2022；Pereira等人，2023）。家庭废水中检测到0.5 mg/L的QACs浓度，而在污水处理厂的厌氧消化池中检测到4-50 mg/L的浓度（García等人，1999；Tezel等人，2015）。值得注意的是，对羟基苯甲酸酯和QACs也可能对生态系统构成风险。目前，关于防腐剂（MeP和BZC）如何影响新型生物废水处理系统（如硫自养反硝化耦合厌氧氨氧化（SAD/A）系统的性能和抗性基因的演替模式，了解甚少。

本研究描述了在防腐剂（MeP和BZC）作用下连续运行112天的SAD/A反应器中生物载体生物膜和微塑料生物膜的特征。通过长期实验和活性测试，研究了防腐剂对SAD/A系统的抑制作用。还考察了细胞外聚合物物质（EPS）和细胞应激，以反映SAD/A系统的生理特征响应。研究了生物载体生物膜和微塑料生物膜中iRGs和eRGs的增殖特性。随后分析了生物载体生物膜和微塑料生物膜中微生物结构的动态变化、共现网络和微生物群落的组装过程。最后，确定了抗性基因的潜在宿主以及驱动抗性基因在两种生物膜中扩散的可能机制。这项研究有助于提高我们对加强防腐剂、微塑料和抗性基因管理的认识。

反应器设置与污染策略

接种的污泥是部分SAD（PSAD）和厌氧氨氧化污泥的混合物，比例为1:1，这些污泥来自实验室的PSAD和厌氧氨氧化污泥反应器。最终挥发性悬浮固体（VSS）控制在4000±200 mg/L。选择聚氨酯海绵作为生物载体，填充比为30%，构建了序列移动床生物膜反应器（SMBBR），15天后反应器内未观察到悬浮污泥。

反应器性能

图1a展示了在混合防腐剂（MeP和BZC）作用下的SAD/A系统性能。在阶段0，反应器性能逐渐稳定，TNRE逐渐增加，最终维持在96.34 ± 2.21%。最终出水中的NH₄⁺-N、NO₂^--N和NO₃^--N浓度分别为1.30 ± 1.49、1.32 ± 1.28和0.49 ± 0.70 mg/L。防腐剂的引入并未显著影响氮去除性能，TNRE保持稳定。

结论

0.5 mg/L的MeP和2 mg/L的BZC共同作用会抑制厌氧氨氧化的活性，导致TNRE降至75.36%。比较生物载体生物膜和微塑料生物膜中抗性基因的变化，发现防腐剂的污染导致微塑料生物膜中的iRGs和eRGs增加更为明显，突显了微塑料的生态风险。在防腐剂的作用下，Thiobacillus、Ca. Kuenenia和Ca. Jettenia在生物载体生物膜中的数量减少。

作者贡献声明

卢天一：写作——审稿与编辑。高景峰：写作——审稿与编辑、验证、监督、资源提供、概念构建。张可：写作——初稿撰写、调查、数据分析、概念构建。张金明：写作——审稿与编辑。张毅：写作——审稿与编辑。谢天：写作——审稿与编辑。郭毅：写作——审稿与编辑

未引用参考文献

Cheung和Fok，2017；Frolund等人，1995；Li和Yang，2007；Napper和Thompson，2016；Tezel和Pavlostathis，2015；Zhou和Ning，2017。

利益冲突声明

? 作者声明他们没有已知的利益冲突或个人关系可能影响本文所述的工作。

致谢

我们感谢国家自然科学基金（编号52470022）和北京市自然科学基金（编号24JL004）对这项研究的财务支持。