环丙沙星对不同营养条件下湖泊沉积物中硝化作用与氮去除过程耦合影响的对比研究

《Journal of Environmental Chemical Engineering》：Contrasting effects of ciprofloxacin on the coupled nitrification with nitrogen removal process in lake sediments across different trophic conditions

太湖不同富营养化区域（忠山湾和旭 cou湾）耦合硝化反硝化（NRn）对环丙沙星（CIP）响应差异及其微生物机制研究。低浓度CIP在轻度富营养化区域（旭 cou湾）初期短暂刺激NRn，随后抑制；而中度富营养化区域（忠山湾）持续抑制。高浓度CIP均抑制NRn，伴随关键氮转化微生物（如假单胞菌、Brocadia）及功能基因（amoA-B、narG、nirS、hdh）丰度下降。研究揭示富营养化程度差异导致抗生素对耦合过程的调控机制分化。

　　

张焕军|张颖|刘阳|李毅|林莉|杨楠

中国江苏省南京市210098，河海大学环境学院，教育部浅湖综合调控与资源开发重点实验室

摘要

湖泊沉积物中的硝化作用与氮去除耦合过程（NR_n）是氮去除的关键途径。然而，NR_n对不同营养条件下沉积物中抗生素污染的响应机制仍不明确。我们通过连续流动微宇宙实验结合¹⁵N同位素追踪和宏基因组测序，研究了环丙沙星（CIP）对太湖两个区域（中山湾中度富营养化和湖口湾轻度富营养化）沉积物中NR_n的影响。在湖口湾，低浓度和中浓度（1和10 μg L^-1）的CIP暂时促进了NR_n速率。这种初始刺激伴随着反硝化菌（如Pseudomonas）、厌氧氨氧化菌（Candidatus Brocadia）以及关键功能基因（如narG、nirS和hdh）相对丰度的增加。然而，长期暴露于CIP则导致了抑制效应，这是由于氮转化能力下降和底物可用性受限所致。相比之下，在中度富营养化的中山湾，相同浓度的CIP持续抑制了NR_n速率，主要是通过抑制硝化作用和关键功能基因实现的。高浓度（100 μg L^-1）的CIP在两个区域均一致抑制了NR_n速率，同时抑制了关键氮转化微生物和功能基因。此外，CIP对氮去除的相对贡献在湖口湾高于中山湾，并且这种差异随着CIP浓度的增加而扩大。本研究加深了我们对不同营养条件下抗生素对沉积物中NR_n影响机制的理解。

引言

氮污染目前是影响河流和湖泊等水生环境的主要问题之一[1]、[2]、[3]。除了导致富营养化和有毒藻类爆发外，过量的活性氮输入还可能对人体健康构成危害。氮循环主要由微生物通过一系列氧化还原反应驱动，包括固氮、硝化、反硝化、厌氧氨氧化（anammox）和异化硝酸盐还原为铵（DNRA）[4]、[5]。其中，反硝化和anammox可以将活性氮转化为惰性的N₂，这是水生生态系统中氮去除的主要机制[6]。根据活性底物的来源，这些过程可以分为解耦型（NO₃^–/NO₂^–直接来自上层水体，即NR_w）和耦合型（NO₃^–/NO₂^–来自硝化作用，即NR_n）。NR_n在沉积物氮去除中起着重要作用。Tan等人[8]证明，在珠江口，耦合过程占总氮损失的约56–90%。

已有研究表明，NR_n对水生系统中的环境变化具有高度敏感性[9]。湖泊富营养化引入了一系列共变因素，包括营养物质浓度升高、氮磷比例失衡以及过量有机物质负荷。这些因素共同可能重新配置微生物群落和代谢途径，从而破坏耦合过程的稳定性[10]、[11]、[12]。沉积物中磷的积累使反硝化菌丰度增加了26–34%，从而加速了NH₄⁺向NO₃^–的氧化，增强了耦合过程[13]。相反，高浓度的有机物质通过减少NO_x^-的产生和降低NR_n速率逐渐抑制了硝化作用[14]，然而矛盾的是，有机物质过剩通过提供可生物利用的碳底物和电子供体增强了反硝化效率[15]、[16]。因此，有机物质负荷既刺激了最终氮转化，又限制了底物的可用性，导致NR_n对外部干扰的响应在不同营养条件下并不均匀。

作为水生生态系统中的新兴污染物，抗生素对其对湖泊氮去除过程的影响也引起了广泛关注[17]。NR_n涉及硝化、反硝化和anammox之间的相互作用。抗生素对其中任何一条途径的影响都可能改变整体氮去除效率[18]、[19]。例如，磺胺甲噁唑（SMX）已被证明通过抑制反硝化菌和关键功能基因（narG、nosZ）的丰度来抑制硝酸盐还原速率，从而降低反硝化效率[20]。同样，当暴露于100 μg L^-1的氧氟沙星（OFL）时，氨氧化菌（AOB）的丰度减少了40%，氨单加氧酶基因（amoA-B）的表达也下降了约50%，导致人工湿地中的硝化作用显著受到抑制[21]。高浓度抗生素混合物还通过减少anammox细菌群落的多样性和丰度来抑制anammox过程，最终使氮去除效率稳定在40–50%[22]。尽管有这些发现，现有研究主要集中在孤立的氮转化途径上，对于耦合过程对不同营养条件的响应是否以及如何变化知之甚少。

作为中国重要的淡水湖，太湖面临着日益严重的人为富营养化压力，尤其是在其西北部的中山湾，那里已经记录到持续的中度富营养化[23]。相比之下，东部的湖口湾处于轻度富营养化状态[24]。同时，抗生素污染也成为太湖面临的一个重大问题。氟喹诺酮类（FQs），特别是环丙沙星（CIP），在太湖沉积物中普遍存在，检测率和浓度都很高[25]、[26]。最近的研究表明，CIP可以影响反硝化速率并改变氮转化微生物的群落结构[27]、[28]。然而，CIP对不同营养条件下NR_n的影响仍不完全清楚。我们假设CIP会在不同营养条件的沉积物中对NR_n产生不同的影响，这些差异与氮转化微生物的组成和功能基因的丰度变化密切相关。因此，本研究通过连续流动微宇宙实验结合¹⁵N同位素追踪和宏基因组测序来探讨：（1）CIP对不同营养条件下沉积物中NR_n速率及其对氮去除相对贡献的影响；（2）CIP胁迫下关键微生物群落、功能基因和代谢途径的变化；（3）CIP影响NR_n的微生物机制。

采样和预处理

本实验的样本采集于2021年10月31日，来自太湖的两个代表性区域：中山湾和湖口湾。每个区域选择了三个采样点（图S1）。从10–30厘米深度采集了表层水样，并采集了完整的沉积物岩芯（直径7.6厘米，深度20厘米）。采集的样本随后被运送到实验室并储存在4°C下。

CIP对NR_n和NR_w速率的响应

在中度富营养化的中山湾，CIP对NR_n和NR_w速率均产生了显著的抑制作用。与对照组相比，1、10和100 μg L^-1的CIP分别抑制了NR_n速率20.24–50.78%、43.93–80.97%和53.64–98.12%（P < 0.05），以及NR_w速率3.47–34.00%、10.42–53.81%和26.42–71.29%（P < 0.05，图1a、b）。48小时后，NR_w速率逐渐从抑制状态恢复，而NR_n速率仍然较低（1.53–9.93 μmol N m^-2 h^-1）。相反，在轻度富营养化的湖口湾

CIP对NR_n的微生物机制

在轻度富营养化的湖口湾，低浓度和中浓度的CIP最初促进了NR_n速率。在早期阶段，CIP暴露导致上层水体中NH₄⁺的积累和NO₂^-的短暂峰值，而NO₃^-浓度随时间逐渐下降（图S3）。抗生素暴露下NO₂^-的积累归因于氨氧化和亚硝酸盐还原之间的不平衡[39]、[40]。这种短暂的NO₂^-积累可能促进了

结论

在本研究中，CIP暴露持续抑制了中度富营养化中山湾中的NR_n速率。这种抑制主要是通过抑制关键氮转化基因（如amoA-B、narG、nirK和hdh）来实现的，从而破坏了硝化作用和氮去除过程之间的耦合联系。而在轻度富营养化的湖口湾，低浓度和中浓度的CIP最初促进了NR_n速率，但在长期暴露后导致了抑制作用。

CRediT作者贡献声明

张焕军：撰写 – 审稿与编辑、方法学、研究、资金获取、正式分析、概念化。杨楠：监督、资源提供。李毅：撰写 – 审稿与编辑、监督。林莉：监督、资源提供。张颖：撰写 – 审稿与编辑、初稿撰写、方法学、研究、正式分析、数据管理。刘阳：资源提供、数据管理。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。

致谢

本研究得到了中国国家重点研发计划（编号2024YFC3212600）、国家自然科学基金（编号U25A20370）以及教育部浅湖综合调控与资源开发重点实验室开放研究基金项目、国家级公益性科研机构基础科学研究业务项目（编号CKSF2022253/SH）的支持。