《Journal of Environmental Management》：Anaerobic biodegradation of ceftriaxone: Transformation pathways, toxicity assessment, and microbial mechanisms
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抗生素污染治理 厌氧膜生物反应器 头孢曲松降解途径 毒性风险评估 微生物群落重构
王欣|赵和平|赖春宇
中国浙江省大学土壤污染控制与安全国家重点实验室，杭州，310058
摘要
头孢曲松的过度使用导致其在水环境中广泛存在，从而对生态系统和人类健康构成风险。本研究使用厌氧膜生物反应器（AnMBR）进行了128天的运行，系统地研究了头孢曲松的厌氧微生物转化过程。该生物反应器表现出稳定且高效的处理性能，化学需氧量去除率保持在90%以上，平均头孢曲松去除效率为65.0 ± 15.2%。提出了几种潜在的降解途径，包括β-内酰胺环水解、C-S键断裂和脱羧反应。通过ADMETlab 3.0平台进行的毒性评估显示，虽然大多数转化产物（TPs）的生态毒性和皮肤毒性较母体化合物有所降低，但某些中间体仍具有较高的肾毒性和遗传毒性风险。宏基因组分析表明，长期暴露于头孢曲松改变了微生物群落，使得甲烷生成菌（如Methanothrix soehngenii和Methanosarcina mazei）数量增加，尽管这些菌类可能并不直接参与头孢曲松的降解。研究还发现了携带功能基因（如内酰胺水解酶、硫酯酶和脱羧酶）的多种古菌和细菌，表明存在一个协同作用且功能多样的微生物网络参与头孢曲松的转化。本研究为推进厌氧生物技术在抗生素污染废水处理中的应用提供了机制见解和技术基础，同时强调了持续监测转化产物潜在长期风险的必要性。
引言
抗生素研究和开发的进步在全球范围内挽救了无数生命（Cook和Wright，2022；Lewis，2020）。头孢曲松（CTX）是一种第三代头孢菌素类抗生素，广泛应用于人类医学（Li等人，2024）、畜牧业、水产养殖等多个领域（Van Boeckel等人，2015，2019）。然而，大量头孢曲松未被人体和动物吸收或代谢，因此经常在废水中被检测到。据报道，地下水中头孢曲松的浓度可达到59.5 μg/L（Aseev等人，2024）。在印度，医院废水中检测到的头孢曲松浓度甚至高达29.15 mg/L（Shipingana等人，2022；Sun等人，2023；Yu等人，2016）。头孢曲松在水系统中的污染对生态系统和人类健康构成重大威胁，会对藻类等水生生物产生毒性（Cui等人，2018），并引发人类胃肠道疾病（Leicht等人，2018）。此外，头孢曲松在环境中的存在加速了多重耐药细菌的出现，使其成为水系统中高风险的新污染物（Perrin等人，2017）。由于头孢曲松的普遍存在及其带来的严重风险，迫切需要对其进行修复。
物理化学方法（如高级氧化工艺（AOPs）和膜过滤（Lu等人，2025；Mohammadi Nezhad等人，2023；Wu等人，2022；Zhou等人，2025）在去除头孢曲松方面显示出有效性。然而，这些技术受到高运行成本和产生二次污染物的限制（Chen等人，2023；Lin等人，2021；Wang等人，2023；Zhao和Zhang，2025）。生物处理技术在去除废水中的头孢曲松方面具有巨大潜力，因为它具有高效的污染物降解能力（Guo等人，2024；Lu等人，2025）、低能耗（Lai等人，2021；M. Wu等人，2024）以及成本效益（Li等人，2025；Yin等人，2024；Zhao和Zhang，2025）。例如，好氧活性污泥工艺已用于处理含有头孢曲松的废水，初始浓度为16.1 μg/L时，去除效率可达84.5%（Pirsaheb等人，2020）。然而，好氧生物处理通常需要大量的外部能量输入（Ji等人，2023；Z. Liu等人，2025；McCarty等人，2011；Qin等人，2024；Zhang等人，2024）。相比之下，厌氧生物过程在能源效率和运行成本降低方面具有明显优势（Guo等人，2025；Yang等人，2024）。在厌氧条件下，微生物可以通过多种代谢途径降解复杂的有机污染物，将其转化为毒性显著降低或可忽略不计的物质（M. Liu等人，2025），为处理含抗生素废水提供了可行的解决方案。Chen等人研究了以葡萄糖为补充碳源的头孢曲松厌氧共代谢降解过程，发现从初始浓度约200 mg/L的废水中可去除67.61%的头孢曲松。Chloroflexi、Actinobacteri、Bacteroidetes ADurb.Bin12和Bacteroidales被确定为参与头孢曲松降解的主要菌群，并提出了三种潜在的降解途径（Chen等人，2023）。此外，先前的研究表明β-内酰胺酶可以催化头孢曲松的水解，具体作用于β-内酰胺环的C-N和C-C键（Darby等人，2023；Khodaparast等人，2023）。尽管有这些发现，但对头孢曲松的厌氧转化产物、相关毒性风险以及参与降解过程的特定微生物种类和功能基因的全面了解仍然有限。解决这些知识空白对于优化微生物群落结构、引导降解过程朝向毒性较低的途径以及确保厌氧处理系统在处理含头孢曲松废水时的安全性和有效性至关重要。
本研究利用厌氧膜生物反应器（AnMBR）系统地研究了头孢曲松在厌氧条件下的微生物转化过程。通过长期运行，全面评估了该反应器处理含头孢曲松废水的性能，确定了头孢曲松的转化产物，并阐明了潜在的降解途径。使用ADMETlab 3.0在线平台对头孢曲松及其转化产物的毒性进行了评估。同时，分析了厌氧微生物群落的动态变化以及参与头孢曲松降解的基因和酶。本研究的目的是全面阐明头孢曲松在厌氧条件下的微生物转化途径和微生物机制，为推进厌氧生物技术在含抗生素废水处理中的应用提供科学见解和技术指导。
部分内容摘录
化学品
头孢曲松（98%）购自TCI（中国上海）。色谱级乙腈购自ASTOON（中国上海）。本研究中使用的其他所有化学品均为分析级。AnMBR的运行
本研究采用厌氧膜生物反应器（AnMBR）作为厌氧降解系统，如图S1所示。膜模块（杭州凯格膜技术有限公司制造）主要由聚偏二氟乙烯（PVDF）制成，孔径为0.1 μm，总膜面积为0.00395 m2。
长期运行过程中COD和CTX的生物降解
图1和图S3展示了AnMBR运行期间进水与出水中COD、CTX、氨氮、pH值和甲烷产量的变化情况。反应器在室温下运行。在阶段I的初始阶段（第0-52天），COD去除效率较低，平均为24.8 ± 10.6%，这可能是由于微生物群落需要适应反应器环境所致。随后，在第53至64天期间，COD去除效率有所提高。结论
本研究探讨了AnMBR中头孢曲松的厌氧降解过程，实现了稳定的COD去除率（>90%）、持续的甲烷产量（161.4 ± 24.3 mL/(g COD·d)以及65.0 ± 15.2%的头孢曲松降解效率。这种稳定的连续去除性能和甲烷产量进一步证明了该厌氧系统的强大稳定性和可持续性。然而，实际含头孢曲松的废水系统通常含有复杂的有机物、盐类和其他共存污染物，这些因素可能会影响降解效果。
CRediT作者贡献声明
王欣：撰写 – 审稿与编辑，撰写 – 原稿创作，数据可视化，方法验证，数据管理。赵和平：撰写 – 审稿与编辑，监督，资源协调，研究实施，资金筹集，数据分析。赖春宇：撰写 – 审稿与编辑，监督，资源协调，项目管理，资金筹集，概念构思。
利益冲突声明
作者声明没有已知的财务利益冲突或个人关系可能影响本文的研究结果。
致谢
我们感谢中国国家重点研发计划（2024YFC3712500）、国家自然科学基金（52470061）、浙江省自然科学基金（LZ24E080003）、浙江省重点研发计划（2025C02214）以及浙江省创新研究团队科学基金（2023R01004）在资金上的支持。
