四环素和环丙沙星能够抑制硝化作用和反硝化作用，同时改变微藻-细菌好氧颗粒污泥中的微生物群落组成及其活性

《Journal of Hazardous Materials》：Tetracycline and ciprofloxacin reduce nitrification and denitrification activity and alter microbial community composition and activity in microalgal-bacterial aerobic granular sludge

　　

莫因·贝沙拉蒂·法尔德（Moein Besharati Fard）|纳维德·艾哈迈迪（Navid Ahmadi）|陈月（Yue Chen）|萧华豪（Seow Wah How）|乔·德弗里泽（Jo De Vrieze）|吴迪（Di Wu）

根特大学绿色化学与技术系，比利时根特B-9000

摘要

微藻-细菌好氧颗粒污泥（MB-AGS）系统在化学压力下的废水处理方面具有巨大潜力。然而，它们在抗生素存在下的表现仍不甚明了。本研究评估了MB-AGS对1000 μg/L四环素和环丙沙星的响应，实验在两个独立的生物反应器中进行，这些反应器在20°C下交替经历黑暗（60分钟）和光照（170分钟）周期。化学需氧量（COD）的去除率在80天内稳定在90±4%（四环素）和91±6%（环丙沙星），表明COD转化未受抗生素影响。然而，添加抗生素后，磷酸盐的去除率从约63%（无抗生素反应器）下降到45±6%（四环素处理）和38±8%（环丙沙星处理）。环丙沙星抑制了硝化作用（NH4+去除率降至约50%），这与硝化单胞菌（Nitrosomonas）数量减少有关；而四环素影响了反硝化作用，表现为Thauera数量减少。尽管如此，该系统仍能去除88.3±5.6%的四环素和69.5±12.4%的环丙沙星，主要通过生物吸附作用（两种抗生素的去除率均超过80%）。抗生素处理下，细胞外聚合物物质含量增加了约19%。宏基因组分析显示微生物群落组成和功能发生了变化，尽管个别抗性基因有所动态变化，但整体抗性基因谱型相对稳定。这些发现表明MB-AGS系统在有效去除有机碳方面具有强大潜力，同时也指出了进一步提高营养物去除率和减轻抗生素抗性基因的机会。

引言

新兴污染物包括多种农药、阻燃剂、药品、表面活性剂、个人护理产品、类固醇激素和微塑料，它们在废水中的浓度通常在ng/L到mg/L之间[1]、[2]、[3]。这些污染物种类繁多且浓度低，给从废水中去除它们带来了技术和经济挑战[4]，导致它们经常出现在下游水体中，可能对环境造成危害[5]、[6]。其中，抗生素作为广泛用于人类和动物疾病预防和控制的药品子类，在医学和农业中发挥着关键作用。然而，只有少量抗生素能被人体和动物代谢，其余部分直接进入废水或环境[7]。这种抗生素的释放可能导致水生生物中毒，并促使某些微生物产生抗性基因（ARGs）[8]、[9]。

环丙沙星是一种广谱氟喹诺酮类抗生素，被人类广泛使用，并得到全球兽医的推荐[10]。环丙沙星可部分代谢，并以药理活性形式通过尿液和粪便排出（高达72%）[11]、[12]。它对最敏感的水生微生物（如Vibrio fischeri、Microcystis aeruginosa和Synechococcus leopoliensis）构成高生态风险[13]。另一种在人类和兽医医学中广泛使用的抗生素是四环素[14]。尽管四环素被认为可生物降解，但在短期暴露下会强烈抑制微生物的呼吸活动[15]。约25-75%的四环素以未改变的形式通过尿液和粪便排放到环境中[16]。与环丙沙星类似，四环素也对水生环境构成高风险[17]。

微藻-细菌好氧颗粒污泥（MB-AGS）是一种新开发的废水处理技术，专为可持续废水管理而设计[18]。与传统生物处理工艺相比，MB-AGS在降低能耗、提高营养物去除率、改善生物质沉降性方面表现出色[19]，并且具有二氧化碳封存能力[20]。虽然已证明MB-AGS在去除常规污染物和碳封存方面的稳健性[21]，但其抵抗和降解抗生素的能力、保持常规污染物高去除效率的能力以及防止抗性基因产生的能力可能会受到含抗生素进水的影响[22]。

研究表明，MB-AGS反应器中细菌和藻类的共存可以提高其对抗生素的响应能力和韧性[22]，这与其他没有细菌和微藻共存的生物系统（如好氧活性污泥、厌氧/好氧AGS系统及厌氧（硫酸盐还原菌）污泥[23]、[24]、[25]、[26]相比具有优势。然而，关于抗生素如何影响微生物/藻类演化和颗粒组成（例如细胞外聚合物物质（EPS）含量）以及这种动态变化如何与污染物降解和抗性基因减少相关联的研究仍有限。填补这一知识空白对于全面理解MB-AGS技术在废水处理中的潜在优势和挑战至关重要。

本研究旨在探讨MB-AGS系统对含四环素和环丙沙星的废水的响应，并评估其在去除这些新兴污染物方面的性能，具体方法包括：(i) 监测常规污染物（碳、氮、磷）以及四环素和环丙沙星的去除效率；(ii) 确定四环素和环丙沙星命运和转化的机制；(iii) 追踪微生物群落动态和抗性基因在抗生素暴露下的演变。

章节片段

合成废水

MB-AGS反应器的培养基由两种溶液组成：(A) 63 mM NaCH3COO·3H2O、3.6 mM MgSO4·7H2O、4.7 mM KCl；(B) 35.4 mM NH4Cl、1.05 mM K2HPO4、0.525 mM KH2PO4以及20 mL/L的微量元素溶液（表S1）[27]。微量元素溶液在2 L水中配制，通过添加KOH将pH调整至6[28]。每个运行周期中，每种培养基（溶液A和B）取150 mL与1200 mL自来水混合，总共制备1500 mL培养基。

抗生素压力下的常规污染物去除

实验室规模的MB-AGS系统在两个反应器中运行，第一个反应器（R1）暴露于四环素，第二个反应器（R2）暴露于环丙沙星。

实验期间，MB-AGS系统有效去除了进水中的COD，R1的平均去除效率分别为90±4%，R2为91±6%。在添加抗生素前后，R1的去除效率从94±2%下降到87±4%，R2从93±1%下降到89±7%（图1a）。

环境影响

环丙沙星和四环素是废水中常见的抗生素，在高负荷条件下其浓度可达ng/L到mg/L。在环境相关操作条件（pH 7.6；20°C；废水特性）和高端抗生素负荷情况下（进水浓度1 mg/L），微藻-细菌好氧颗粒污泥保持了较高的COD去除率，但营养物去除效果受到持续影响（环丙沙星抑制了硝化作用；四环素影响了……）

CRediT作者贡献声明

乔·德弗里泽（Jo De Vrieze）：撰写、审稿与编辑、概念构思。吴迪（Di Wu）：撰写、审稿与编辑、资金获取、概念构思。陈月（Yue Chen）：可视化、方法学。萧华豪（Seow Wah How）：撰写、审稿与编辑、方法学。纳维德·艾哈迈迪（Navid Ahmadi）：撰写、审稿与编辑、数据分析、形式分析。莫因·贝沙拉蒂·法尔德（Moein Besharati Fard）：撰写、审稿与编辑、初稿撰写、可视化、方法学、调查、数据分析、数据整理、概念构思。

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

作者感谢根特大学（BOF/STA/202109/022）、香港特别行政区研究资助委员会（T21-604/19-R）和香港创新及科技委员会（ITC-CNERC14EG03）的支持。乔·德弗里泽还感谢弗兰德斯研究基金会（FWO项目Bio-Economy "EctoMet" G0E0723N）的支持。