《Journal of Environmental Management》：Acclimation-enhanced ofloxacin biodegradation by
Tetradesmus obliquus: Unveiling physiological and transcriptomic adaptation mechanisms
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微藻经环丙沙星驯化后显著提升降解能力，14天暴露下降解率提高25.81%，主要归因于增强生物富集及代谢分解。生理生化分析表明驯化群体氧化应激更小，SOD/GST活性及能量代谢关键酶表达上调。转录组揭示DNA修复、光合作用及膜结构调控为关键适应机制，分子模拟显示SOD-GST新复合物形成可能增强酶活性。该研究为抗生素污染生物修复提供了新策略。
魏高|吴俊庄|关婷|伊姆兰·阿里|唐国新|岳玉娇|李伟
中国南方可持续林业协同创新中心，南京林业大学生态与环境学院，龙蟠路159号，南京，210037，江苏
摘要
抗生素的广泛使用，尤其是氧氟沙星（OFL），导致其在水环境中持续存在。研究发现，经过氧氟沙星适应的Tetradesmus obliquus（T. obliquus）对其耐受性和降解能力都有所增强。在1 mg/L氧氟沙星的作用下暴露14天后，适应后的T. obliquus的降解率比未适应的提高了25.81%，这主要归因于生物积累和生物降解能力的增强。生理和生化分析表明，适应后的T. obliquus在氧氟沙星作用下的生长抑制和氧化应激明显低于未适应的T. obliquus。转录组结果显示，氧氟沙星对未适应和适应后的T. obliquus的DNA复制和修复、光合作用、膜系统、氧化还原酶以及能量代谢都产生了影响。适应后的T. obliquus通过调整碳代谢来提高能量水平，增强抗氧化酶活性，上调ABC转运蛋白以排出抗生素，增加类胡萝卜素合成以保护光合作用，并利用氨基酸合成来弥补蛋白质生产的减少。这些适应性变化显著提高了经过多次氧氟沙星暴露后的藻类的生存能力和降解能力。分子对接和动力学模拟表明，在适应过程中SOD和GST之间可能形成了新的复合物。总体而言，本研究为藻类对抗生素污染的适应提供了宝贵的见解，并强调了适应后的微藻在先进生物修复策略中的潜力。
引言
自20世纪40年代初引入抗生素以来，它们被广泛用于人类和牲畜的治疗和预防（Jun和Lau，2020）。然而，残留的抗生素及其代谢物常常会从体内排出并进入环境，导致化学污染（Zhang等人，2015）。令人担忧的是，2000年至2018年间全球抗生素消耗量增加了46%（Hofer，2022）。抗生素生产设施产生的废水尤其令人关注，因为其中通常含有高浓度的抗生素残留物和耐药基因（ARGs）（Wang等人，2015）。不幸的是，污水处理厂（WWTPs）在去除这些污染物方面的效率有限（Gao等人，2012）。因此，大量的抗生素残留物和耐药基因进入了污水处理厂，使其成为这些污染物的一个日益增长的储存库（Zieliński等人，2021）。例如，韩国的一个污水处理厂发现其出水中的林可霉素浓度为14.8 mg/L（平均值）和568 μg/L（中位数），最高浓度达到44 mg/L（Anh等人，2021）。氧氟沙星（OFL）是一种第三代氟喹诺酮类抗生素，具有广谱抗菌活性，由于其广泛应用以及传统污水处理工艺的低去除效率，经常在环境中被检测到（Khmaissa等人，2024）。
基于微藻的生物技术因其能有效去除抗生素、产生较少的耐药基因（ARGs）以及生成高价值产品而受到全球关注（Li等人，2022；Qi等人，2022）。微藻和抗生素在水环境中普遍存在，它们之间的相互作用是相互的（Zhang等人，2022）。一方面，包括抗生素在内的污染物可能对微藻有毒，导致氧化损伤并破坏光合作用（Lu等人，2022）；另一方面，微藻可以通过多种机制减轻污染（Xiong等人，2017）。作为经过数十亿年进化的古老微生物，微藻拥有特定的适应机制，使它们能够在恶劣的环境条件下通过自发突变或生理调节生存（Cornwallis等人，2023）。它们从极端条件中恢复并耐受超出正常范围的压力的能力可以被视为一种适应形式（Liang等人，2024）。已发表的报告表明，预先暴露于磺胺甲噁唑压力（0.1、0.5、1和2 mg/L）的微藻可以表现出生长增强、脂质产量增加以及抗生素去除效率提高（Zhang等人，2022）。微藻在含有高浓度抗生素的污水处理厂出水中长期存在，可能会创造出类似的环境条件，实际上类似于一个适应过程。然而，由于微藻的漂浮特性，它们不能在单一位置长时间停留，可能会面临反复的抗生素压力（Qi等人，2023）。因此，适应后的微藻对后续抗生素暴露的反应机制仍不清楚。
为了填补这一知识空白，选择了Tetradesmus obliquus（T. obliquus），这是一种广泛使用的淡水模式微藻，具有较高的环境压力耐受性和去除抗生素的潜力。本研究探讨了适应后的T. obliquus在初次接触抗生素时是否与未适应的微藻有不同的反应。研究的目标是：（1）比较未适应和适应后的T. obliquus在降解氧氟沙星方面的有效性，并阐明去除机制的不同途径；（2）研究氧氟沙星对未适应和适应后的T. obliquus的生长、生理和生化参数的毒性影响；（3）利用转录组学和分子对接技术揭示适应后的T. obliquus的关键分子机制。
部分摘要
化学
氧氟沙星（OFL，C18H20FN3O4，CAS编号82419-36-1）标准品由Aladdin Biochemical Technology Co., Ltd.提供。实验中使用了HPLC级甲醇、乙腈和甲酸。其他常用的化学物质和试剂列在SI-1中。BG-11培养基和实验装置的详细组成信息见表S1和S2。
微藻培养和实验设计
绿色微藻T. obliquus
（FACHB-12）来自中国科学院水生生物学研究所未适应和适应后的T. obliquus
对氧氟沙星降解的影响
氧氟沙星的降解效率和去除机制显著依赖于T. obliquus的存在状态和适应情况。在14天的培养期间，BG11组的氧氟沙星降解率较低（16.35%）。这一降低表明了非生物过程（包括潜在的光降解或水解）的参与。相比之下，未适应和适应后的T. obliquus的引入显著增强了氧氟沙星的去除效果。
结论
总之，本研究表明，适应显著提高了T. obliquus的耐受性和氧氟沙星的降解能力。适应后，氧氟沙星的去除率提高了25.81%，主要归因于生物积累和生物降解能力的增强。适应后的藻类表现出较低的氧化应激和更强的抗氧化酶活性，表明细胞防御机制得到了加强。转录组分析显示，适应过程重新编程了碳和氮的代谢。
CRediT作者贡献声明
魏高：撰写——初稿、方法学、研究、资金获取、数据分析。吴俊庄：方法学、研究。关婷：方法学、研究。伊姆兰·阿里：撰写——审阅与编辑、方法学、研究。唐国新：方法学、研究。岳玉娇：撰写——初稿、方法学、研究。李伟：撰写——审阅与编辑、项目管理、方法学、研究、资金获取、数据分析。
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所述的工作。
致谢
本研究得到了国家自然科学基金（编号：32171628）和江苏省研究生研究与实践创新计划（编号：KYCX25_1503）的支持。
