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污水处理系统中2(5H)-呋喃酮与左氧氟沙星共污染对脱氮性能及微生物群落的影响研究。摘要：采用序批式反应器模拟335天长期暴露，研究1-80 mg/L 2(5H)-F与0.5-5 mg/L OFL复合污染对氨氮去除效率（ANRE）和总氮去除效率（TNRE）的影响，发现高浓度2(5H)-F显著提升TNRE至63%，而高浓度OFL抑制ANRE达80.74%，通过添加C6-HSL可部分恢复硝化功能。研究揭示复合污染促进功能基因（nosZ、napAB）表达及抗性基因（ARGs）共丰现象，条件丰度/稀缺税（CRAT）成为ARGs主要宿主，且紧密束缚EPS蛋白分泌增强具有保护效应。
范晓燕|马继刚|耿文年|曹慎斌|李星|任家伟|潘凯玲
北京工业大学建筑与土木工程学院，北京，100124，中国
摘要
作为有前景的抗生素替代品，群体感应抑制剂（QSIs）在废水处理系统中经常与抗生素同时存在，形成复合污染，其生态影响尚不清楚。本研究选择了2(5H)-呋喃酮（2(5H)-F）和氧氟沙星（OFL）作为代表性化合物，在序批反应器中考察了它们在335天内的长期效应，浓度范围从环境水平到较高水平（分别为1–80 mg/L和0.5–5 mg/L），并研究了通过添加信号分子（C6-HSL）的恢复潜力。对丰富-稀有微生物类群、抗生素抗性基因（ARGs）及其相互作用进行了全面分析。在复合应力下，增加2(5H)-F浓度对氨氮去除效率（ANRE）的影响很小，但在80 mg/L时总氮去除效率显著提高至63%。相比之下，将OFL浓度提高到5 mg/L时，ANRE从>95%降低到80.74%。添加C6-HSL后，受抑制的ANRE得到恢复。复合应力特别促进了紧密结合的细胞外聚合物物质的蛋白质成分分泌。复合应力显著改变了丰富-稀有类群的结构。条件性丰富或稀有类群（CRAT）成为核心类群。高浓度复合应力增加了反硝化菌（如Comamonas和Flavobacterium）以及功能基因（如nosZ和napAB）的相对丰度。在复合应力下，多种ARGs的增殖得到促进，特定ARGs与反硝化相关功能基因之间的共表达模式得到加强。添加C6-HSL可以减少ARGs的丰度。CRAT被确定为ARGs的主要宿主。本研究为复合应力及其恢复提供了新的见解，强调了未来的废水处理应考虑QSIs-抗生素的复合污染，即使对于表面上看似环保的QSIs也是如此。
引言
抗生素因其强大的杀菌和抑菌作用而被广泛使用，但由于其生物利用度低，最终会在废水处理厂（WWTPs）中积累。其中，喹诺酮类抗生素在中国WWTPs的出水中残留浓度最高。喹诺酮类抗生素是中国WWTPs出水中最常见的残留抗生素，尤其是氧氟沙星（OFL）。据报道，中国WWTPs中OFL的浓度范围为367 μg/L至900 μg/L [1]，[2]，而在制药设施附近的浓度可达到14 mg/L [3]。抗生素与抗生素抗性细菌的出现以及抗生素抗性基因（ARGs）在WWTPs内的传播有关 [4]。基于呋喃酮的群体感应抑制剂（QSIs）可以干扰细菌之间的细胞间通信，从而在不诱导抗性发展的情况下降低病原体的毒力。因此，QSIs被认为是抗生素的潜在替代品，并在水产养殖、医疗保健等领域得到广泛应用 [5]。尽管目前关于它们在废水处理系统中的存在数据仍然有限，但鉴于其广泛应用，QSIs很可能在WWTPs中积累。因此，评估这些潜在抗生素替代品的影响非常重要。抗生素和QSIs在WWTPs中的共存会产生复合应力，与单独的应力暴露相比，对活性污泥系统产生更复杂的影响。然而，针对这些复杂影响的研究仍然较少。因此，需要进一步研究复合抗生素和QSI应力对活性污泥系统的影响。
氮去除是WWTPs中活性污泥最重要的功能之一，对不同抗生素或QSIs的反应各不相同。抗生素对去除氮的功能细菌具有生物毒性，从而抑制活性污泥系统中的氮去除效率 [6]。在好氧生物膜系统中，浓度为0.1至10 mg/L的OFL在不同程度上降低了氨氮去除效率（ANRE），较高浓度下的抑制作用更为明显 [7]。相比之下，在1至15 mg/L的OFL暴露下，硝化系统的ANRE几乎没有受到影响（保持在95.0%以上）[8]。关于反硝化作用，1 mg/L和5 mg/L的OFL分别提高了人工湿地和好氧反硝化系统中的总氮去除效率（TNRE）[9]，[10]。其他抗生素也对活性污泥的性能产生了不同的影响。四环素、氨苄西林和磺胺甲噁唑（每种1 mg/L）的混合物在膜生物反应器中将ANRE降低到82.5% [11]，而30 mg/L的SMX和TMP组合将TN去除效率提高到70.0%以上 [12]。关于QSIs，先前的研究表明，2(5H)-呋喃酮（2(5H)-F（1–80 mg/L）和OFL（0.5 mg/L）的复合应力随着2(5H)-F浓度的增加而降低了硝化速率 [13]。此外，2(5H)-F对硝化速率的抑制作用比阿奇霉素更强 [14]。对于反硝化作用，某些QSIs如2(5H)-F和香草醛已被报道可以增强总氮去除 [13]。这些发现表明，抗生素和QSIs根据其具体类型和浓度可以对活性污泥的性能产生促进或抑制作用。然而，其背后的机制尚不清楚，需要进一步研究。此外，还需要探索减轻复合应力负面影响的策略。N-酰基-同型丝氨酸内酯（HSL）作为群体感应信号分子，在提高氮去除效率和促进系统恢复方面显示出有效性 [15]。在常见的HSLs（如C4-HSL、C6-HSL和C10-HSL）中，C6-HSL在恢复受抑制活性污泥活性方面显示出相对更好的效果 [16]。在先前的研究中，50 nmol/L的C6-HSL被证明可以有效恢复被抗生素抑制的活性污泥 [17]。此外，一项关于海洋厌氧细菌的研究显示C6-HSL与功能基因（如、hzsA、hdh）以及抗生素抗性基因（如< />）之间存在正相关 [18]，表明C6-HSL可以通过调节基因表达来提高系统性能和抗性。然而，将C6-HSL作为恢复策略来减轻复合应力的抑制作用仍需进一步研究。
抗生素和QSIs显著影响细胞外聚合物物质（EPS）的分泌和微生物群落。EPS分泌是细菌的防御机制，OFL可以刺激细菌产生更多的EPS以减轻损伤 [8]。同样，SMX和TMP的复合污染也增加了EPS的分泌，特别是紧密结合的EPS（TB-EPS）部分 [12]。相反，QSIs可以干扰群体感应并阻碍EPS的分泌 [19]。关于微生物群落，先前的批次实验表明，OFL、2(5H)-F及其组合也影响了微生物群落结构和多样性 [13]。主导属的变化受到了相当多的关注，但在大多数研究中经常被忽视的稀有属可能对维持微生物群落结构更为关键 [20]。稀有类群对污染物压力更敏感，并且与污染物去除密切相关 [21]。因此，有必要研究丰富和稀有类群对复合OFL和2(5H)-F应力的响应和相互作用。功能菌属和基因对氮去除至关重要。如氨氧化菌（AOB）、亚硝酸盐氧化菌（NOB）和反硝化菌（DNB）以及功能基因如amoA、hao和nirK受到抗生素或QSIs的影响 [22]，[23]。然而，它们对复合抗生素和QSI应力的响应需要进一步研究。
已经证实抗生素应力会加速ARGs的生成和传播。此外，与所用抗生素直接相关的ARG类型之外，其他类型的ARG也会增殖 [24]。QSIs可以下调质粒转移基因，从而抑制质粒接合频率并减少ARG的传播 [25]。然而，复合抗生素和QSI应力对ARGs的影响需要进一步研究。此外，在抗生素或QSI应力下，ARGs的宿主可能会发生变化 [26]。了解这些潜在宿主的动态对于评估和减轻与ARG传播相关的风险至关重要。同时，研究表明ARGs与功能基因之间存在关联。在氟苯尼考应力下，氨基糖苷类、四环素、多粘菌素和磷霉素ARGs与amoA、narG、nirS或nirK显示出正相关 [27]。因此，有必要研究ARGs的发生特征及其潜在宿主的动态，以及ARGs、它们的潜在宿主和功能基因在复合污染应力下的相互作用。
因此，选择2(5H)-F、OFL和C6-HSL作为QSIs、抗生素和群体感应信号分子的代表性化合物，以研究它们对活性污泥系统的影响。具体目标是：1）检查对氮去除性能和EPS分泌的影响；2）探索丰富-稀有类群的响应和相互作用；3）阐明对功能菌属和功能基因的影响；4）分析ARGs的发生特征、它们的潜在宿主及其与功能基因的共表达关系。本研究预计将加深对QSIs和抗生素复合应力下氮转化机制的理解，并为废水处理系统中受抑制性能的恢复提供有价值的见解。
实验系统和操作
本实验设计了一个工作体积为6 L的序批反应器（SBR）。SBR的操作设置总结在表1中。SBR总共运行了335天，分为以下阶段：对照组（Control，1–26天）、单OFL应力（OFL，27–48天）、不同QSI浓度的复合应力（H&O，49–196天）、低OFL浓度的复合应力（O&H，197–274天）和信号分子效应（HSL，275–335天）。
复合应力下的性能变化
SBR中的进水NH?+-N浓度维持在35 ± 1 mg/L（图1a）。在对照组阶段，出水中以NO??-N为主，ANRE和TNRE分别稳定在约94.2%和6.8%。平均硝化速率为0.98 mg NH?+-N/g MLSS/h（图1b）。在OFL阶段，出水中NH?+-N、NO2?-N和NO??-N的浓度与对照组相比没有显著变化。ANRE也与对照组没有显著差异
结论
低浓度OFL（0.5 mg/L）和高浓度2(5H)-F（80 mg/L）的组合增强了TNRE，而高浓度OFL（3–5 mg/L）显著抑制了硝化作用。添加C6-HSL有效恢复了硝化活性，但同时降低了TNRE。复合应力刺激了EPS的分泌，特别是TB-EPS中的蛋白质分泌，作为一种保护性反应。CRAT成为核心类群，并对复合应力表现出更大的敏感性
作者贡献声明
范晓燕：撰写 – 审稿与编辑，撰写 – 原稿，验证，监督，资源获取。马继刚：撰写 – 审稿与编辑，撰写 – 原稿，调查，概念化。耿文年：调查，形式分析，概念化。曹慎斌：撰写 – 审稿与编辑，验证，监督。李星：撰写 – 审稿与编辑，验证，监督。任家伟：撰写 – 审稿与编辑，验证，监督。潘凯玲：
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：51808013）和重庆市自然科学基金计划（编号：CSTB2022NSCQ-MSX1181）的财政支持。
