《Journal of Environmental Chemical Engineering》：The biotransformation and toxicity of sulfamethoxazole in phycosphere indicates potential in-situ removal of antibiotics by microalgae
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磺胺甲噁唑藻菌共生系统反复低浓度暴露提升生物降解效率并降低毒性产物风险，首次揭示长期低浓度暴露诱导胞外聚合物蛋白合成、细胞膜渗透性增强及CYP450基因表达激活的协同机制。
王青|耿琳琳|马彦斌|王杰|张凯|何娇|任尚|孙燕|李旭莉|孙绍静|罗毅
河北工程大学能源与环境工程学院，河北省空气污染成因与影响重点实验室，河北省污水处理与资源化工程技术研究中心，邯郸056038，中国
摘要
尽管藻球在水生系统中对抗生素的传播和去除起着关键作用，但大多数关于藻球与抗生素的研究都涉及单一暴露实验。在此，我们首次研究了藻球在反复低浓度暴露与单次高浓度暴露下对磺胺甲噁唑（SMX）的生物转化和毒性。结果表明，反复低浓度暴露组的SMX去除率是单次高浓度暴露组的1-8.6倍。首先，反复低浓度暴露下，松散结合的细胞外聚合物（LB-EPS）中的蛋白质含量增加了1.43倍，这促进了SMX的生物吸附。其次，低浓度组的细胞膜通透性增加，导致SMX的生物积累量更大。最后，多种细胞色素P450（CYP450）相关基因的表达促进了SMX的体内降解。在低浓度反复暴露下，通过键断裂和进一步氧化降解产生了低毒性的降解产物；而高浓度暴露下产生的降解产物主要通过羟基化途径生成，其毒性比SMX高1-4个数量级。总之，反复暴露于微量抗生素会诱导微藻产生适应性反应，从而提高去除率并降低副产物的毒性。本研究为河流生态系统中微藻对抗生素的生物去除提供了理论基础。
引言
抗生素主要用于治疗和预防人类和动物的感染，并促进农业和水产养殖中的生物生长[1]。由于吸收率和代谢不完全，大多数抗生素无法被动物或人体完全吸收，它们以原始化合物或其代谢物的形式通过粪便或尿液进入环境[2]。作为新兴污染物，抗生素在水生环境中频繁被检测到[3]。大规模研究聚焦于水生系统中抗生素的存在、来源分析和风险评估，极大地加深了人们对抗生素环境行为的理解[4][5][6]。然而，抗生素受到多种生物因素（如微藻[7][8][9]）和非生物因素（如微塑料[10][11]）的影响。
引入微藻后，抗生素的去除效果显著提高，研究表明，包括HRT（停留时间）和光照强度在内的多个参数会影响抗生素去除的总体效果[12]。尽管生物降解是微藻去除抗生素的主要方式，但非生物变量对这一过程的影响较小[13][14]。低强度光照对SMX的生物吸附、生物积累和非生物光降解的影响非常小或不显著[15]。微藻和细菌都能通过生物转化（如生物吸附、生物积累和生物降解）去除抗生素[9][16][17]。微藻与细菌的共生作用使它们具有将有毒抗生素转化为无害化合物的高转化能力，从而降低污染物的毒性[18]。目前，许多研究集中在利用微生物和藻类颗粒污泥去除抗生素上[19][20][21]。在河流生态系统中，微藻和细菌长期共存，特定的微环境使微藻能够招募和组装微生物群落（称为藻球），进而改变微生物的形态、群落结构和组成[22]。然而，关于微藻在实际水生环境中去除抗生素的研究仍有限。
抗生素的暴露方式对其生态效应至关重要，研究中常见的有两种方法：单一暴露和反复暴露，分别代表抗生素进入水生环境的不同途径。例如，反复低剂量暴露于氧氟沙星会显著增加铜绿微囊藻（Microcystis aeruginosa）的代谢活性[23]；同样，反复暴露于克拉霉素会增加其对铜绿微囊藻的毒性[24]。与单次暴露相比，银纳米颗粒（Ag NPs）反复暴露下Chlorella pyrenoidosa中检测到的差异基因和代谢物较少[25]，并且对功能性微生物群落的累积毒性也较低[26]。这些研究表明，暴露方式会对水生生物产生不同的致死或亚致死效应（如生理失衡、行为受限和生命周期特征改变）。然而，这些因素是否会影响抗生素的去除尚不清楚，这阻碍了利用微藻进行原位修复的研究。
SMX是河流中检测频率最高、浓度最高且生态风险最大的抗生素[27][28]。排放源会影响河流中SMX的浓度。例如，由于河水的湍流混合，SMX的浓度通常在ng/L到μg/L之间（反复低暴露），但在污水处理厂出口处，其浓度可能达到mg/L水平（单次高暴露）[4]。我们之前的研究表明，在不同浓度的SMX单次暴露下，微藻-细菌共生（MBS）系统中SMX的生物转化和去除率存在差异[29]。本研究通过从天然水体中筛选细菌，并使用Chlorella vulgaris作为研究代表，建立了微藻-细菌共生系统。研究目的包括：（1）SMX的去除；（2）SMX的生物转化机制；（3）不同暴露条件下SMX及其中间代谢物的毒性。据我们所知，这是首次研究不同暴露条件下微藻对河流生态系统中抗生素环境行为（分布、生物转化和毒性）的影响。这些发现有助于控制和管理水生生态系统中的新兴污染物。
实验部分
Chlorella vulgaris与细菌共生系统的建立
Chlorella vulgaris取自水生生物学研究所（FACHB）的淡水藻类培养库，经过灭菌后用BG11培养基培养。细菌从中国邯郸河北工程大学的景公湖（36.657532°N, 114.592375°E）分离获得，以模拟自然环境中地表水中的细菌。使用0.22μm聚碳酸酯过滤器过滤水样，以去除其中的微生物。SMX暴露对细胞生长和色素含量的影响
本研究中，细胞密度以干细胞重量表示，通过测量第0天和第16天各组的光密度值计算Chlorella vulgaris和细菌的生物量。如图1A所示，各组的生物量随培养时间的延长而增加。与第0天相比，低浓度反复暴露组（AB-1 μg/L、AB-10 μg/L、AB-20 μg/L、AB-50 μg/L和AB-100 μg/L）在第16天的干细胞重量有所增加。
结论
本研究评估了低浓度反复暴露和高浓度单次暴露下SMX在微藻-细菌共生（MBS）系统中的生物转化和毒性。反复低浓度暴露促进了微藻和细菌的生长，而单次高剂量（>1.0 mg/L）SMX则抑制了生长。由于促进了生物转化过程，低浓度反复暴露下的SMX去除率高于高浓度单次暴露。
资助
本研究得到了国家自然科学基金（42477469, 42507546, 52302239, 62304067）、河北省自然科学基金（B2024402004）、河北省教育厅科技项目（QN2024101）、国家水污染控制与绿色资源循环利用重点实验室（PCRRF25032）以及河北省教育厅研究生创新基金（CXZZSS2025085）的支持。
作者贡献声明
孙燕：正式分析、数据管理。
任尚：正式分析、数据管理。
何娇：项目管理、实验设计。
张凯：方法学研究、数据管理。
王杰：验证、监督、资源协调。
马彦斌：方法学研究、实验设计。
耿琳琳：方法学研究、实验设计、正式分析。
王青：写作——审稿与编辑、初稿撰写、软件使用。
罗毅：数据管理、概念构思。
孙绍静：验证、监督、资源协调、资金支持
利益冲突声明
作者声明没有可能影响本文研究的财务利益或个人关系。
