含有四环素的合成畜禽养殖废水在序批反应器中，藻类-细菌颗粒污泥的协同效应

《Journal of Environmental Management》：The synergistic effect of algal-bacterial granular sludge in a sequencing batch reactor with tetracycline-containing synthetic livestock and poultry breeding wastewater

养殖废水处理中藻菌共生颗粒污泥（ABGS）与好氧颗粒污泥（AGS）对四环素的去除效能及微生物机制研究。ABGS较AGS四环素去除率提升4.49%，但TN/TP去除率在投加后分别下降0.77%/6.91%。藻菌共生系统通过调控EPS、叶绿素及脂类合成，增强抗逆性，使ABGS中假单胞菌、短杆菌属丰度分别提升36.61%/66.82%，同时抑制tetX和MuxB抗性基因扩增。

　　

杜元达|赵守波|高亚楠|严玉杰|孔毅|孟文文|卢欣茹|郑顺|穆海林|陈晓静|孔强

山东师范大学地理与环境学院，中国山东省济南市250014

摘要

由于畜禽养殖废水的持续积累，环境中的抗生素浓度及其生态风险有所增加。本研究建立了两个序批式反应器（SBR），其中一个配备了藻-细菌颗粒污泥（ABGS），另一个配备了好氧颗粒污泥（AGS），以研究含有四环素的合成畜禽养殖废水的处理效果。通过分析微生物群的生理和生化特性、动态变化以及抗生素抗性基因（ARGs）的命运，确定了污染物的去除效率及其背后的机制。与AGS相比，ABGS的颗粒化过程更快，产脂量也更高。暴露于四环素显著改变了细胞外聚合物物质（EPS）和叶绿素的含量。在培养阶段，ABGS对总氮（TN）和总磷（TP）的去除效率分别比AGS高7.01%和1.52%。然而，在添加四环素后，ABGS对TN和TP的去除效率分别降低了0.77%和6.91%。ABGS对四环素的去除效率达到了86.32%，比AGS高4.49%。宏基因组分析显示，ABGS中Pseudomonas和Stenotrophomonas（关键的四环素降解菌）的相对丰度分别比AGS高36.61%和66.82%。在添加四环素后，AGS中与四环素相关的ARGs（tetX和MuxB）的相对丰度分别增加了36.01%和61.68%，而在ABGS中则分别降低了53.98%和5.71%。研究表明，ABGS在SBR系统中对含有四环素的合成畜禽养殖废水的污染物去除效果更为显著。

引言

过去几十年里，全球人口增长和生活水平的提高大幅增加了肉类消费。这导致了畜禽养殖业的迅速扩张，从而产生了更多的畜禽养殖废水（LPBW）（Henchion等人，2014年）。畜牧业中过度使用药物使得动物粪便和废水中的抗生素含量显著增加（Gray等人，2020年）。四环素因其广谱抗菌活性和成本效益而在该行业中得到广泛应用（Gemeda等人，2020年）。根据中华人民共和国农业农村部发布的《兽医公报》（2021年），2020年中国使用的约327,776吨兽医抗生素中，四环素占了30.52%。这些抗生素的不当使用和处置导致它们释放到环境中（Lu等人，2018年），严重威胁环境和公共卫生（Oladeji等人，2025年）。此外，抗生素污染通过促进抗生素抗性基因（ARGs）的发展和传播，破坏了生态系统的稳定性和生物多样性（Yang等人，2023b年）。

典型的四环素通过与30S核糖体亚单位结合来抑制微生物蛋白质合成和生长，从而抑制细胞增殖（Yang等人，2025年）。相比之下，非典型的四环素通过破坏细胞膜、干扰多种细胞内途径和诱导细胞功能障碍来发挥抗菌作用（Nelson和Levy，2011年）。这种多方面的抗菌机制使四环素在畜禽养殖系统中有效控制疾病。然而，由于动物对四环素的吸收有限，大量四环素被排出并积累在LPBW和粪便中（Kumar等人，2005年）。LPBW和动物粪便中的四环素浓度可高达75.86 μg/L和712.16 mg/kg，对环境构成重大风险（Du等人，2022a；Yang等人，2022年；Zhang等人，2022b年）。因此，为了有效处理LPBW，必须完全去除四环素。

序批式反应器（SBR）是一种分阶段操作的活性污泥系统，通过填充、反应、沉淀、排液和闲置等步骤实现高效处理。由于其操作灵活性、高处理效率和成本效益，SBR被广泛用于处理农业、工业和生活废水（Askari等人，2024年；Zhu等人，2025年）。然而，传统的SBR在去除四环素方面效率较低，主要是由于微生物群的不稳定性和对抗生素的敏感性（Huang等人，2014年；Zhang等人，2013年）。

藻-细菌颗粒污泥（ABGS）是一种新型且具有前景的废水处理技术，其特点是光合藻类与异养细菌之间的共生关系。在该系统中，藻类通过光合作用产生溶解氧，满足细菌的呼吸需求，而细菌对有机物的矿化则为藻类提供二氧化碳（CO₂）和铵。这种共生关系使曝气能耗相比传统活性污泥降低了30-50%（Chen等人，2025年）。ABGS无需外部曝气即可有效去除有机化合物和溶解氮（Abouhend等人，2018年；Ansari等人，2019年）。此外，ABGS的沉淀性能更好，稳定性也高于好氧颗粒污泥（AGS）（Zhang等人，2022a）。此外，ABGS可以利用太阳能生产脂质，从而降低运营成本并具有资源回收潜力（Shukla和Kumar，2018年）。由于这些优势，ABGS已被用于处理含有各种污染物的废水，包括表面活性剂（Wang等人，2024年）、重金属（Li等人，2023年；Zhang等人，2023b年）和对苯二甲酸（Ezz等人，2025年）。值得注意的是，ABGS的稳定性取决于藻类对污染物的耐受性。当藻类对某些污染物的耐受性较低时，ABGS可能比AGS更敏感（Kedves和Kónya，2025年；Kedves等人，2024年）。这种共生系统中的藻类成分可以增加抗生素的去除率并减少ARGs的丰度（Ren等人，2025年；Wang等人，2022年）。然而，关于专门集成ABGS用于四环素去除的SBR系统中处理效果、机制和ARGs命运的研究仍然有限。

因此，在本研究中，我们探讨了在SBR中添加Chlorella pyrenoidosa (C. pyrenoidosa)的ABGS处理含有四环素的合成畜禽养殖废水的效果。系统评估了四环素的去除效率，并通过生理和生化分析、微生物群动态变化研究以及抗生素抗性基因（ARGs）的追踪阐明了其背后的机制。本研究的结果旨在为实际废水处理过程提供必要的机制理解，以处理含有四环素的LPBW，为改进实际处理工艺提供指导，从而推进畜牧业和水资源的可持续管理。

实验设置和操作

好氧活性污泥来自山东的一个污水处理站。随后通过曝气对污泥进行驯化。培养过程详见补充材料。本研究中使用的藻类菌株C. pyrenoidosa购自中国科学院水生生物学研究所。先前的研究表明，C. pyrenoidosa在处理多种类型的废水方面表现出显著的效率（Wang等人，2012年；

AGS和ABGS的生理和生化特性

整个培养过程中AGS和ABGS的SVI₃₀值如图1a所示。实验开始时，两种污泥的SVI₃₀值相似。然而，随着时间的推移，它们的形态（图S2）和内部微生物组成（图S3）出现了显著差异，导致SVI₃₀轨迹不同。与AGS相比，ABGS的SVI₃₀较低，并且更早达到稳定状态。添加四环素后，AGS受到更严重的影响：

结论

本研究评估了ABGS在处理含有四环素的合成畜禽养殖废水方面的性能，并与AGS进行了比较。结果表明，C. pyrenoidosa的存在加速了ABGS的形成并提高了其产脂能力。添加四环素后，ABGS中的叶绿素含量和产脂量下降，而EPS含量增加。在添加四环素之前，ABGS的氮去除效果更好

作者贡献声明

杜元达：方法学、正式分析、数据管理、概念化。赵守波：撰写——初稿、可视化、验证、软件使用、数据管理。高亚楠：撰写——审阅与编辑、监督、研究。严玉杰：验证、资源提供。孔毅：撰写——审阅与编辑、监督。孟文文：撰写——审阅与编辑、监督。卢欣茹：验证、资源提供、研究。郑顺：资源提供、研究。穆海林：验证、资源提供。

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的研究工作。

致谢

本研究得到了国家自然科学基金（编号：52430005）、山东省自然科学基金（编号：ZR2025MS898）和山东省泰山学者基金（编号：202312155）的支持。