锰在对抗抗生素压力时起到的是“救星”而非“帮凶”的作用：它通过双重机制清除活性氧（ROS），同时激活Mnammox酶

《Journal of Water Process Engineering》：Manganese acts as savior rather than accomplice of antibiotic stress: Dual cycles of ROS scavenging and Mnammox

抗生素残留对厌氧氨氧化（Anammox）过程的影响及锰离子（Mn(II)）的缓解机制研究。通过添加5 mg/L Mn(II)在2 mg/L林可霉素胁迫下，使Anammox特异性活性（SAA）提升11.8%，并增强功能基因丰度，Mn(II)通过清除活性氧（ROS）维持细胞活性达83.3%，同时实现锰循环再生，形成Mn(II)-Mn(IV)氧化还原循环，促进Mnammox过程发展，使氨氮去除率提高31.7%。

　　

侯东军|郭伟琳|刘倩茹|杨洪伟|徐秋友|何云飞|范念思|金仁村

杭州师范大学工程学院，中国杭州，311121

摘要

林可霉素是一种常见的抗生素，在水生环境中广泛存在，并会抑制生物氮的去除。由于厌氧氨氧化（anammox）菌群对环境非常敏感，因此开发在抗生素压力下维持其活性的策略至关重要。本研究发现，在2 mg L^?1的林可霉素存在下，5 mg L^?1的Mn(II)使特定厌氧氨氧化活性（SAA）提高了11.8%。同时，它还使的丰度及其功能基因(hdh、hzsA和hao)分别增加了4.2%和11.1%。Mn(II)能够清除林可霉素诱导的活性氧（ROS），使荧光强度降低了16.1%。因此，细胞存活率达到了83.3%，这证明了其抗氧化作用。与电子转移相关基因(phsC、torZ、CYC1和qcrC)以及锰转运蛋白相关基因(mntR和mntC)的丰度增加，加上氮去除性能的同步提升，共同表明了依赖于锰的厌氧氨氧化（Mnammox）过程的发生，该过程将Mn(IV)还原为Mn(II)并维持了其抗氧化功能。此外，Mnammox过程的NH₄⁺-N去除率达到了31.7%，高于厌氧氨氧化过程。因此，Mn(II)对ROS的清除作用大于对Mnammox过程的促进作用。本研究建立了一种有效策略，通过厌氧氨氧化过程来增强含抗生素废水的治疗效果。通过宏基因组学阐明了其背后的分子机制，并提出了一个自我驱动的Mn(II)循环以清除ROS。这些发现为通过厌氧氨氧化过程提高废水处理效率提供了理论基础和实际指导。

引言

中国是世界上最大的抗生素生产和消费国[1]。水生环境是抗生素的主要汇，这对接收水体构成了各种生态风险，并给污水处理厂（WWTPs）带来了巨大压力。残留的抗生素通过改变微生物群落结构和多样性，威胁人类健康并降低生物氮的去除效率[2]。林可霉素被广泛用于食用动物养殖，并在水生环境中频繁检测到，浓度范围从μg L^?1到mg L^?1不等[3]、[4]。林可霉素稳定的化学结构使其在自然环境中具有抗降解性，而污水处理厂的林可霉素去除效率通常较低（< 17%）[5]、[6]。因此，寻找积极对策以减轻林可霉素对生物氮去除过程的负面影响迫在眉睫。

锰（Mn）的生物氧化过程可能在缓解细胞压力方面发挥作用[7]。尽管锰的保护作用与其生物氧化物形成的晶体物理屏障有关，但尚不清楚在没有这些氧化物时是否可以通过其他机制实现保护。电子转移过程通过Mn(II)的生物氧化，将锰循环和氮循环联系起来[8]。锰是超氧化物歧化酶（SOD2）的辅因子，通过形成非蛋白质类锰基抗氧化剂来帮助抵抗氧化应激[9]。因此，Mn(II)可能通过减轻氧化应激来维持含抗生素废水的生物氮去除性能。厌氧氨氧化（anammox）是一种由自养细菌驱动的生物氮去除过程，旨在实现碳峰值和碳中和[10]。厌氧氨氧化过程的显著优势在于能耗低和温室气体排放少[11]。目前，全球已有超过200个基于厌氧氨氧化的大规模处理设施[12]。与传统硝化-反硝化过程相比，厌氧氨氧化细菌的厌氧和自养特性减少了60%的曝气量，完全消除了有机碳的消耗，并减少了90%的污泥产生[13]。然而，厌氧氨氧化细菌（AnAOB）的生长速率低且对环境敏感，严重限制了其推广和应用。已有多种技术用于含抗生素废水的处理，其中微生物燃料电池（MFCs）是一个典型例子。MFCs在四环素降解过程中可以回收电能，但受到高电极成本、长启动时间和氨氮去除效率低的限制。相比之下，Mn循环过程不需要额外的能量输入，具有很强的水质变化适应性和低维护成本，因此是一种可行的处理方法。因此，本研究探索了基于其有效缓解抗生素压力的能力，建立依赖于锰的厌氧氨氧化（Mnammox）过程的潜在可行性。

在先前的研究中，锰在缓解抗生素诱导的细胞氧化应激损伤中的作用主要归因于生物氧化过程[7]。然而，这一过程最终导致生物氧化锰氧化物以晶体层的形式沉淀在细胞表面，严重阻碍了细胞物质的传递。这不可避免地影响了厌氧氨氧化细菌细胞膜上的铵转运蛋白的功能。本研究提出了一种氧化还原循环，能够在抗生素压力下同时清除活性氧（ROS）并维持氮去除性能，有效避免了晶体锰氧化物的形成。此外，还全面阐述了Mn(II)在林可霉素压力下对厌氧氨氧化系统的积极作用以及微生物群落的动态变化，为Mn(II)介导的抗生素损伤缓解提供了直接证据，并推动了基于厌氧氨氧化过程的广泛应用。

反应器操作方法

构建了两个实验室规模的上升流式厌氧污泥覆盖层（UASB）反应器，有效体积分别为2.0 L（R₀和R₁）。种子厌氧氨氧化颗粒污泥（每个反应器0.7 L）来自一个运行历史稳定的母反应器。该反应器的氮负荷率（NLR）和氮去除率（NRR）分别为7.3 ± 0.3 kg N m^?3 d^?1和6.5 ± 0.3 kg N m^?3 d^?1。原始挥发性悬浮固体（VSS）为5.4 g L^?1。

氮去除性能和污泥特性

在P0阶段，R₀和R₁的氮去除效率（NREs）分别为90.8 ± 0.5%和91.3 ± 0.7%，然后在P1阶段分别降至86.8 ± 0.4%和87.5 ± 0.2%，表明2 mg L^?1的林可霉素略微抑制了厌氧氨氧化过程的氮去除（图1a）。在P2阶段，R₀的NRE仍为88.2 ± 0.4%，而R₁的NRE较高，为89.2 ± 0.2%，这表明Mn(II)可能对厌氧氨氧化过程的性能有所贡献。SAA也表现出类似的趋势（图1b）。

结论

本研究表明，在2 mg L^?1的林可霉素压力下，外源Mn(II)通过刺激氨基酸合成抑制了蛋白质合成的抑制作用。尽管在厌氧氨氧化颗粒中没有形成晶体生物氧化锰氧化物来提供外部保护，但Mn(II>仍能穿透AnAOB并直接清除ROS。Mn(II)和Mn(IV)之间的循环转化促进了ROS清除和Mnammox过程的同步进行。这种自我维持的循环揭示了一种策略

CRediT作者贡献声明

侯东军：撰写——原始草案，可视化，概念化。郭伟琳：正式分析，数据管理。刘倩茹：数据管理。杨洪伟：正式分析。徐秋友：方法学。何云飞：正式分析。范念思：撰写——审稿与编辑，监督，资金获取，概念化。金仁村：监督。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能会影响本文工作的财务利益或个人关系。

致谢

作者感谢来自浙江“先锋与领头鹅+X”科技创新计划（2025C02230）、浙江省自然科学基金（LZ25E080008）以及杭州师范大学科研创新团队项目（TD2025014）的财政支持。