《Journal of Water Process Engineering》：Degradation of sulfamethoxazole by a
Pseudomonas consortium: co-substrate promotion mechanisms, accelerated immobilization and microbial community dynamics in wastewater application
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磺胺甲噁唑（SMX）降解菌落从活性污泥中富集成功，通过共基质（葡萄糖/蔗糖）和电负性载体（壳聚糖修饰）协同作用显著提升生物膜固定化效率，缩短固定化周期至10天以内，在真实市政污水中的处理效率达99.8%以上。
刘一泽|梁传洲|卢瑞卓|刘哲|詹雄波|周忠雄|刘林|何敏华|李博林|魏志宇
湖北工业大学矿产资源加工与环境重点实验室，中国湖北省武汉市珞狮路122号，430070
摘要
之前已经分离出了能够降解磺胺甲噁唑（SMX）的细菌，但由于其定殖能力差和稳定性不足，这些细菌很少被应用于实际废水处理中。在本研究中，从活性污泥中富集了一种以假单胞菌为主的有效SMX降解菌群，并系统地评估了其快速固定化方法及其在处理实际市政废水中的应用效果。结果表明，添加共底物显著促进了菌群的生长和SMX的降解。共底物的类型对固定化过程也有影响：葡萄糖加速了在原始载体上的生物膜形成，而蔗糖则更有利于浮游生长，并且需要经过壳聚糖改性的亲电载体才能实现有效的固定化。共底物辅助的固定化将所需时间从超过40天缩短至不到10天。此外，固定化的菌群表现出显著的SMX降解效率，半衰期约为3小时，这与总附着菌群DNA量之间存在强相关性（r = 0.988）。在连续30天的实际市政进水及出水处理过程中，固定化的菌群能够稳定去除超过99.8%的SMX，证明了其在SMX二次处理和精处理中的应用潜力。微生物群落分析显示，假单胞菌始终占据主导地位，其多样性受到共底物类型、载体类型和废水条件的驱动。总体而言，本研究强调了合理的共底物选择和载体设计对于高效固定化及缓慢生长抗生素降解菌群长期性能的关键作用，为废水处理系统中磺胺类抗生素的去除提供了一种可扩展的策略。
引言
磺胺甲噁唑（SMX）是一种广谱抗生素，全球范围内广泛用于治疗人类、牲畜和水产养殖中的感染，年产量超过84,000吨[1]、[2]。在市政、医院、牲畜、水产养殖和工业废水中经常检测到SMX浓度超过0.1 μg L?1的情况，有时甚至高达数mg L?1，这成为SMX进入环境的主要途径[3]、[4]、[5]。大量研究表明，SMX会损害水生生物，并促进抗生素抗性基因和微生物的增殖，对公共健康和生态系统构成重大威胁[6]。因此，开发环境可持续、成本效益高且高效的SMX去除技术成为废水处理厂（WWTPs）的迫切需求。
利用功能性细菌进行生物强化是一种经济高效且环境友好的SMX去除方法，其成功与否在很大程度上取决于高效降解菌的识别与利用[7]。迄今为止，已通过含有较高SMX浓度（例如≥50 mg L?1）的培养基分离出多种SMX降解菌株，如氢化噬菌体属（Hydrogenophaga）、无色杆菌属（Achromobacter）和嗜冷假单胞菌（Pseudomonas psychrophila）[8]、[9]、[10]。然而，单一菌株的实际应用常常受到定殖能力差、增殖速度慢、对环境变化敏感以及在复杂废水系统中生态竞争力有限的限制[11]。此外，从自然环境中只能分离和培养出不到1%的菌株，这限制了功能性菌株的发现和应用[12]、[13]。相比之下，菌群——即混合培养的细菌——能够将无法单独分离的微生物纳入环境修复过程[14]。与单一菌株相比，菌群保持了必要的代谢协作，并表现出更强的环境抗性[15]、[16]，据报道它们能够实现更高效和稳定的生物降解[17]、[18]。
为了提高微生物的滞留能力和操作稳定性，越来越多地采用在工程化载体上形成生物膜的方法进行微生物固定化，这不仅提高了对水力冲击的抵抗力，还能保持较高的处理效率[19]、[20]。例如，固定在玉米秸秆或生物炭上的固定化菌群（如芽孢杆菌属 KSB7）能够去除88%–94%的难降解多环芳烃（PAHs），显著优于未固定的菌群[21]、[22]。在实际的废水处理厂中，通常使用塑料载体（如聚乙烯）进行固定化，因为它们使用寿命长且操作简单[23]。然而，对于那些降解难降解化合物（如抗生素）的菌群来说，固定化过程往往需要较长时间来积累足够的生物量以实现稳定应用[24]、[25]。尽管通过改变载体表面积、电荷或生物相容性等手段可以加速固定化过程，但这并不能从根本上克服这些降解菌本身生长缓慢的问题[26]。因此，建议补充适当的共底物以补偿难降解抗生素的能量产出不足，并在固定化过程中加速微生物生长[27]。然而，共底物类型和载体改性对SMX降解菌群在实际废水条件下的固定化持续时间、降解效率及微生物群落动态的综合影响仍不完全清楚。
在本研究中，从含有5 mg L?1 SMX的培养基中富集出的SMX降解菌群被用于固定化，并进一步应用于含有实际环境中相关SMX浓度（200 μg L?1）的市政废水，目标包括二次处理（进水阶段）和三级精处理（出水阶段）两个场景。本研究的主要目的是：1）阐明共底物对分离菌群SMX降解的促进作用；2）通过结合共底物添加和亲电载体开发快速固定化策略，并评估固定化菌群在实际废水中的应用可行性；3）探讨固定化菌群在富集、固定化和长期应用过程中的微生物群落动态。这项工作为SMX去除提供了一种实用的生物强化方案，并揭示了共底物和亲电载体如何增强废水处理系统中缓慢生长抗生素降解菌群的固定化和性能的机制。
部分内容摘要
化学物质和培养基
磺胺甲噁唑（SMX）（纯度>98%）、甲酸（纯度>99%）和壳聚糖（粘度：50–800 mPa·s）购自中国上海的Aladdin公司，而甲醇（HPLC级）和其他化学品（分析级）则购自中国上海的Sinopharm公司。
用于富集SMX降解菌群的培养基包括含有5 mg L?1 SMX的最低盐培养基（MMS培养基）作为唯一的碳源和氮源，以及添加了5 mg L?1 SMX的Luria-Bertani（LB）培养基。详细的培养基组成见
SMX降解菌群的富集
与含有SMX的LB培养基相比，MMS培养基更有利于SMX降解菌群的富集（见补充材料图S1）。在每个富集周期的7天内，MMS培养基中的菌群能够去除99.3% ± 0.7%的5 mg L?1 SMX，显著高于LB培养基中的1.2% ± 0.1%的去除率。这些结果表明，富集后的菌群能够利用SMX作为唯一的碳源和氮源。
结论
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本研究成功富集了一种以假单胞菌为主的有效SMX降解菌群，且SMX是该菌群的唯一碳源和氮源。SMX主要通过S–N键断裂被降解，从而降低了其潜在的水生毒性。添加共底物（葡萄糖和蔗糖）显著促进了菌群的生长（约增加6.5倍）和SMX的降解效率（48小时内可完全降解对比仅去除约40%）。
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共底物的类型进一步影响了
CRediT作者贡献声明
刘一泽：撰写初稿、方法学设计、实验研究。梁传洲：撰写、审稿与编辑、监督、方法学设计、资金申请、概念构思。卢瑞卓：实验研究。刘哲：方法学设计。詹雄波：方法学设计。周忠雄：方法学设计。刘林：实验研究。何敏华：实验研究。李博林：撰写、审稿与编辑、资金申请。魏志宇：撰写、审稿与编辑、监督。
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结果。
致谢
本研究得到了中国武汉市自然科学基金（项目编号：2024040801020265）、湖北省自然科学基金（项目编号：2022CFB790）以及湖北省科技项目（项目编号：2025BCB037）的资助。
