《Journal of Hazardous Materials》：Does algal trophic mode affect the removal of norfloxacin? Insights from
Tetradesmus obliquus
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微藻营养模式调控诺氟沙星去除效率及分子机制研究，通过分析自养、异养、混合营养模式下Tetradesmus obliquus的生理生化参数及转录组数据，发现混合营养模式去除效率最高（62.67%），主要归因于生物量增加、EPS分泌提升及抗氧化能力增强，协同碳代谢与外源物代谢途径驱动降解。
作者：纪沐生、钱金、李夏夏、朱月明、刘胤、卢 Bianhe、唐思静、沈俊伟、宗宇航
中国江苏省南京市210098，河海大学，教育部浅水湖泊综合调控与资源开发重点实验室
摘要
藻类营养模式对抗生素去除的潜在影响及其背后的机制仍不甚明了。在本研究中，我们选择了典型的微藻Tetradesmus obliquus来分析诺氟沙星（NFX）的去除效率，并阐明这一过程在水生环境中的内在机制。通过系统评估光自养、异养和混合营养模式下的关键生理参数、生化成分和转录组序列，我们发现T. obliquus在混合营养模式下具有最高的NFX去除效率（62.67%），而在光自养模式下最低（7.41%）。这种提升归因于生物量的增加、总胞外聚合物物质（EPS）含量的提高以及抗氧化能力的增强。此外，差异基因表达分析表明，中心碳代谢和外源物质代谢的协同作用推动了混合营养T. obliquus中对诺氟沙星的有效去除。总之，这些发现为不同营养模式如何影响微藻去除NFX提供了新的视角，并阐明了其背后的机制，从而为改进含抗生素废水的微藻处理技术建立了理论框架。
引言
诺氟沙星（NFX）属于氟喹诺酮类抗生素，由于其高效、广谱抗菌特性和成本效益，在人类医学、兽医护理、水产养殖和畜牧业中得到广泛应用[48]。然而，施用于牲畜的抗生素中有相当一部分（25%–75%）未被吸收，而是通过粪便排出，导致其直接或间接进入水生环境[28]。现有报告显示，NFX存在于地下水、地表水、废水和制药废水中，浓度可达μg/L甚至mg/L[16]。例如，在越南红树林地区的虾塘及其周边水道中，NFX浓度为6.06 mg/L[18]；在中国香港和深圳的五个污水处理厂进水中，NFX浓度在0.11至0.46 μg/L之间[7]。NFX在生态系统中的持久存在对生物体构成毒性威胁，并破坏生态完整性。此外，它还促进了抗生素抗性基因（ARGs）的发育和传播，对环境和公共健康构成重大风险[63]。因此，系统探索有效的处理策略以减轻自然环境中的NFX污染至关重要。
迄今为止，物理、化学和传统生物方法在去除抗生素方面存在局限性，如去除不完全[74]、运营和维护成本高[8]以及处理效率低[9]。近年来，利用微藻去除抗生素的方法越来越受到关注，因为它们能够在温和条件下通过生物吸附、生物积累和生物降解来去除抗生素，同时具有较高的环境可持续性[3]、[36]、[49]。多项研究表明，抗生素的去除效率与处理条件有关[42]、[59]。例如，Zhong等人[71]发现Chlorella pyrenoidosa在35°C下的替加环素（TGC）去除效率高于25°C。此外，较低的TGC初始浓度与干细胞密度比更有利于TGC的去除。在研究Chlorella sp对磺胺嘧啶（SDZ）的降解过程中，Ma等人[29]发现初始抗生素浓度与去除效率之间存在负相关关系。此外，营养模式似乎显著影响抗生素的去除性能。例如，在NFX的情况下，Liu等人[26]报告称，在光自养条件下，Scenedesmus sp.和Nitzschia sp.在暴露于5 mg/L NFX时的去除效率分别为6.82%和4.39%。同样，在光自养条件下，Arthrospira platensis在10 mg/L初始浓度下对诺氟沙星的去除效率仅为15.9%[13]。相比之下，Wu等人[58]证明，在混合营养条件下，Chlorella pyrenoidosa对NFX的降解效率高达61.5%。Pan等人[35]使用混合营养Galdieria sulphuraria处理猪废水，发现添加葡萄糖后，微藻从水中去除营养的能力显著提高。Mohanty和Mohanty[32]发现，在有碳源的条件下使用Chlorella thermophila去除阿奇霉素时，去除率比无碳源条件下高18.00%。Peng等人[36]报告称，在使用Chromochloris zofingiensis处理1、10和100 mg/L浓度的左氧氟沙星（LEV）时，异养条件下的去除效率分别比光自养条件下提高了88.58%、81.32%和68.66%。这些证据表明，尽管其他操作条件存在差异，营养模式的差异可能是导致抗生素去除性能差异的关键因素。
营养模式可能通过影响生物量产生、胞外聚合物物质（EPS）的产生和抗氧化活性来影响NFX的去除。先前的研究表明，基于微藻的抗生素去除与生物量产生、EPS分泌和抗氧化能力密切相关。较高的生物量意味着有更多的活性细胞参与降解过程[31]。EPS不仅为抗生素吸附提供了丰富的功能基团，还形成了作为细胞外消化系统的水合生物膜[60]。同时，增强抗氧化能力有助于缓解抗生素引起的氧化应激并维持正常的细胞代谢[59]。此外，转录组学为系统揭示抗生素生物降解的分子机制提供了强大的方法[14]。迄今为止，关于不同营养模式如何影响微藻去除抗生素的系统研究仍然较少。而且，这些差异背后的机制，尤其是在分子水平上（如全局转录组响应和关键途径的差异调节）仍不甚明了。目前的研究主要集中在表观去除效率上，缺乏结合生理、EPS、抗氧化能力和转录组方法的综合分析，以全面阐明营养模式调节微藻去除抗生素的多方面机制。
在本研究中，我们选择T. obliquus来处理NFX，因为T. obliquus是一种广泛分布于淡水生态系统中的常见绿色微藻[34]，已成为藻类废水处理研究中最具代表性的物种之一[43]。此外，这种藻类不仅对NFX具有很强的耐受性，而且培养条件相对简单，使其成为去除抗生素的最有前景的候选者之一[20]、[27]、[40]。本研究的目的包括：(1) 评估和比较光自养、异养和混合营养T. obliquus的NFX去除效率，并分析其降解途径；(2) 研究营养模式对藻类生物量、胞外聚合物物质（EPS）分泌和生化成分的影响；(3) 描述不同营养模式下T. obliquus的转录组特征，从而阐明营养模式驱动微藻去除NFX的分子机制。本研究的结果为改进含抗生素废水的微藻处理技术提供了宝贵的见解。
实验材料
化学品
本实验使用的所有试剂和化学品均为分析级。NFX（C16H18FN3O3）由Aladdin Biochemical Technology Co. Ltd.提供。
微藻培养
T. obliquus FACHB-416由国家水生生物资源中心提供。将微藻菌株接种到含有BG-11培养基的500 mL锥形瓶中，然后在25 ± 1 °C、光照强度为4000 lux、光照/黑暗周期为12 h/12 h的控温培养箱中预培养14天[6]。
NFX的去除
如图1a所示，在1 mg/L的NFX浓度下，混合营养系统的去除率为62.67 ± 5.24%，其次是异养系统的29.23 ± 2.71%，光自养系统的7.41 ± 3.64%。我们的研究关注的是诺氟沙星的总体去除效率，因此去除率包括了非生物去除、生物吸附、生物积累和生物降解的综合结果。
结论
结果表明，营养模式显著影响了T. obliquus对NFX的去除。在1 mg/L的NFX浓度下，混合营养模式的去除率为62.67%，而异养模式为29.23%，光自养模式仅为7.41%。NFX的降解途径包括脱氟、哌嗪环转化、脱羧、氧化、脱烷基和乙酰化。生理和生化分析表明，混合营养模式下的NFX去除效果更佳。
环境意义
抗生素在水生生态系统中的广泛存在对环境安全和人类健康构成严重威胁。本研究阐明了微藻营养模式影响抗生素去除效率的内在机制，为优化基于微藻的废水处理系统提供了科学依据。我们的发现为开发更高效和可靠的生物修复策略提供了直接指导。
利益声明
作者声明他们没有已知的竞争性财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。
作者贡献声明
钱金：项目管理、资金获取、概念构思。
纪沐生：写作——初稿、方法学、研究、概念构思。
沈俊伟：研究。
唐思静：方法学、研究。
宗宇航：软件、研究。
朱月明：监督、资源、概念构思。
李夏夏：写作——审稿与编辑、数据管理。
卢 Bianhe：验证、软件、正式分析。
刘胤：方法学。
致谢
本研究得到了中国国家自然科学基金区域创新与发展联合基金（U25A20807）、重庆市教委科技研究计划（KJZD-K202402901）、重庆市万州区博士快速研究项目（wzstc-20240015）、中国国家自然科学基金（编号51779078）以及江苏省六人才高峰项目的资助。
