研究磺胺二甲嘧啶对沿海沉积物中细菌群落及其氮代谢的影响

《Journal of Environmental Chemical Engineering》：Investigation of the effects of sulfadiazine on bacterial communities and its nitrogen metabolism in coastal sediments

抗生素污染通过改变微生物群落结构和关键生物地球化学过程，对近海生态系统构成显著生态风险，但其剂量-时间效应尚不明确。本研究以磺胺二甲基嘧啶（SDZ）为典型磺胺类抗生素，通过梯度浓度（0-10 mg/L）暴露30天，结合化学参数分析、16S rRNA测序及共现网络分析，发现SDZ对氮循环及微生物群落具有非线性影响：15天前无显著变化，15天后低剂量（10 μg/L）抑制硝化作用并简化网络连接，高剂量则促进硝化相关基因表达及网络整合。该研究揭示了抗生素污染调控群落组装与氮代谢的剂量-时间耦合机制，为近海生态系统修复提供理论依据。

　　

雷苏|牛明阳|顾晨婷|李海洲|胡佳菊|王翔|杨珊珊

中国地质大学海洋科学与技术学院，武汉，430074，中国

摘要

抗生素污染通过改变微生物群落结构和关键生物地球化学过程（如氮循环）对沿海生态系统构成重大生态风险，但其剂量和时间依赖性效应仍需进一步研究。本研究探讨了磺胺类抗生素磺胺二甲嘧啶（SDZ）对海口湾沿海沉积物中细菌群落和氮相关功能途径的影响。在受控条件下，我们将沉积物暴露于不同浓度的SDZ（0–10 μg/L）中30天，采用化学参数分析、16S rRNA基因测序和微生物共现网络分析等方法来评估SDZ引起的生态变化。结果表明，在第15天之前，氮转化（NH₄⁺-N、NO₂^--N和NO₃^--N的浓度变化）及微生物群落结构均未发生显著变化。然而，在此时间阈值之后，低剂量SDZ（10 μg/L）抑制了硝化作用并简化了共现网络，导致连通性降低但模块性增加。相反，高剂量SDZ处理使Nitrosomonadaceae家族富集，并增加了与硝化作用相关的基因（amoABC、hao）的相对丰度。NST分析表明，SDZ暴露使微生物群落组装从随机过程转变为更确定性的过程，尤其是在低剂量下。总体而言，本研究揭示了SDZ污染对沿海沉积物中细菌群落结构和氮转化潜力的非线性影响。通过阐明抗生素压力、群落组装和氮相关功能变化之间的联系，本研究为抗生素污染如何干扰沿海沉积物的生物地球化学功能提供了重要的机制见解。

引言

抗生素污染已成为水生环境中普遍且持久的压力源，尤其是在人类活动集中的沿海地区。在各种抗生素中，磺胺类（SAs）被广泛用于兽医和人类医疗目的[1]。由于废水处理过程中不当处置和未完全去除SAs，它们经常在河流、沉积物和海洋环境中被检测到[2]。作为生物多样性和重要生物地球化学功能的热点区域，沿海生态系统由于城市群落和水产养殖区排放的富含抗生素的废水而特别脆弱[3]。然而，目前尚不清楚沿海生态系统中的细菌群落如何响应不同浓度的磺胺二甲嘧啶。

研究表明，环境中的抗生素污染物不仅影响抗生素抗性基因（ARGs）的分布，还影响氮代谢过程[4]。氮循环处理一种不可或缺的元素和限制性营养物质，在调节生产力、维持生态系统以及促进不同生物之间的相互作用方面发挥着至关重要的作用[5]、[6]、[7]。与其他元素循环类似，氮循环主要由微生物群落控制，通过八个主要途径/过程进行。这些过程包括同化性硝酸盐还原、异化性硝酸盐还原、硝化作用、反硝化作用、固氮作用、厌氧氨氧化作用以及有机氮代谢[8]。大多数现有研究考察了抗生素在渗滤液、活性污泥和堆肥等废物处理系统中对氮代谢的影响，并发现这些影响因抗生素类型、浓度、暴露时间和系统特性而异[9]、[10]、[11]、[12]。然而，这些系统中的环境条件和微生物群落与海洋沉积物中的条件存在显著差异。因此，关于磺胺类抗生素对沿海沉积物中细菌群落组装和氮代谢途径的耦合动态的剂量和时间依赖性影响仍存在关键知识空白。此外，塑造微生物对抗生素压力反应的生态机制，包括确定性选择和随机过程的相对贡献，仍知之甚少[13]、[14]。因此，需要进行一个覆盖SDZ浓度梯度的受控微宇宙实验，以同时追踪微生物群落结构和功能潜力，从而理清这些复杂的相互作用。

细菌在沿海生态系统的生物地球化学循环中起着关键作用[15]。先前的研究表明，抗生素可以通过改变细菌群落组成、影响功能类群的丰度以及改变代谢活动来干扰氮循环[4]。然而，仅研究群落组成不足以揭示其背后的生态机制。细菌群落组装受到确定性和随机性过程的双重影响[16]，抗生素暴露可能会重塑这些组装机制，从而改变细菌相互作用并影响关键生态系统功能[17]。尽管如此，不同浓度的抗生素以及环境滞留时间如何调节群落组装和网络结构，进而影响氮代谢，目前仍不甚清楚。因此，本研究探讨了不同SDZ浓度对细菌群落组装和共现网络拓扑的影响，特别关注其对氮循环功能的潜在影响。阐明微生物群落内的复杂生态相互作用和组装机制对于理解抗生素暴露如何影响沿海生态系统的氮代谢至关重要。

在本研究中，我们在受控微宇宙条件下探讨了磺胺类抗生素SDZ对海口湾沿海沉积物中细菌群落和氮代谢的生态影响。我们提出以下假设：(i) SDZ以剂量和时间依赖的方式改变氮转化过程，低和高浓度产生不同的效应；(ii) 细菌群落组成在SDZ暴露后发生变化，某些氮相关功能类群被选择性富集或抑制；(iii) 群落结构的变化伴随着生态组装机制和细菌网络属性的可预测变化，反映了抗生素压力下的确定性选择和网络结构变化。通过整合16S rRNA基因测序、基于中性和随机性的生态建模以及共现网络分析，本研究为抗生素压力如何改变沿海沉积物中的微生物群落结构和生态系统功能提供了新的机制见解。

实验设置和样本检测

表层沉积物（0-5 cm）从海口湾近岸区域（北纬34°58'28.47"，东经119°31'36.73"）采集，并在批量实验前储存在4°C下。

在正式培养之前，对沉积物进行预处理以去除残留化学物质。简要来说，将沉积物样本与400 mL人工海水在无菌条件下混合，然后在4000 rpm下离心5分钟。弃去上清液后，重复此清洗步骤。

SDZ暴露下不同氮的浓度变化

为了研究SDZ对氮代谢的影响，我们监测了培养期间NH₄⁺-N、NO₂^-N和NO₃^-N的浓度变化。在实验初期可以清楚地观察到NH₄⁺-N的积累，在100 μg/L、1 mg/L和10 mg/L组中，其浓度分别在第五天达到最大值41.97 mg/L、40.41 mg/L和41.17 mg/L，之后浓度开始下降（图1A）。在这一早期阶段，NO₂^-N

SDZ诱导的剂量-时间相互作用导致氮循环轨迹的分叉

我们的研究结果表明，磺胺二甲嘧啶（SDZ）对氮循环的影响表现出剂量和时间依赖性的分叉特征：在低浓度（10 μg/L）下抑制硝化作用，而在高浓度下则促进硝化作用。这种在高抗生素水平下的硝化促进作用与在土壤、污泥和堆肥中报告的抑制作用相反（Zhou等人，2024年）。这种差异可能由多种因素引起。

结论

本研究表明，SDZ对沿海沉积物的生态影响不仅取决于浓度，还取决于剂量和暴露时间之间的相互作用。大约在第15天出现了一个关键转折点，之后出现了不同的功能轨迹：低剂量SDZ限制了硝化作用并破坏了微生物网络，而高剂量SDZ通过富集关键类群和促进更整合的相互作用结构促进了硝化作用。这些发现

作者贡献

S.Y.设计了研究。L.S.、M.N.、C.G.和S.Y.进行了研究。L.S.、C.G.、X.W和S.Y.分析了数据。L.S.、M.N.、C.G.、M.N.、J.H.、H.L.X.W.和S.Y.参与了结果讨论并撰写了论文。

未引用的参考文献

[46], [47], [48], [49], [50], [51], [52], [53], [54], [55]

CRediT作者贡献声明

雷苏：写作——审稿与编辑、撰写——初稿、可视化、监督、正式分析、概念化。 牛明阳：写作——审稿与编辑、撰写——初稿、可视化、验证、软件、资源、正式分析。 顾晨婷：写作——审稿与编辑、撰写——初稿、可视化、验证、软件、调查、正式分析、数据管理。 王翔：写作——审稿与编辑、验证、方法学、正式分析、数据

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能会影响本文所述工作的竞争性财务利益或个人关系。

致谢

本研究得到了国家自然科学基金（42576094, 42206113）、国家重点研发计划（2022YFC3105302）、国家创新人才博士后计划（BX20220278）和中国博士后科学基金（2022M710136）的支持。

利益冲突

作者声明他们没有竞争性利益。