洛美氟沙星对地下水反硝化作用的影响及其恢复潜力

《Journal of Critical Care》：Lomefloxacin-induced stress on groundwater denitrification and its recovery potential

　　

邹华|何江涛|刘飞|褚燕佳|夏启文|曹志明|李海燕

中国地质大学水资源与地球科学学院地下水保护重点实验室，北京100083

摘要

抗生素和硝酸盐的共污染引发了全球关注，因为抗生素会抑制环境中的反硝化作用。然而，特别是在纳克/升（ng/L）低浓度下，地下水系统的恢复潜力仍未得到充分研究。本研究聚焦于洛美沙星（LOM）这种在地下水中频繁检测到的污染物，通过批量实验研究了急性暴露于LOM后58天内的反硝化恢复动态。结果表明，与碳源相比，LOM在地下水相关浓度（ng/L至μg/L）下对反硝化的影响是一个次要因素。LOM引起的反硝化抑制是可逆的。在10 ng/L至100 μg/L的浓度范围内，反硝化作用在12天后可恢复约80%，而在1 mg/L的LOM组中，41天后恢复率为45.8%。反硝化的恢复时间和程度取决于抗生素的浓度。在低浓度下，LOM会诱导群体感应，依次调节碳代谢和多重耐药机制，从而在短期抑制后促进反硝化的快速恢复。相反，在高浓度下，LOM具有杀菌或抑菌作用，抑制反硝化。尽管随后氟喹诺酮（FQ）耐药细菌开始生长并补充了碳源，但由于LOM对细胞周期的持续抑制，反硝化只能缓慢且有限地恢复。这突显了从偶尔的高抗生素污染事件中恢复的挑战，并强调了长期暴露于抗生素带来的次要风险，例如FQ和多重耐药基因的传播。

引言

地下水硝酸盐污染已成为一个紧迫的全球环境问题，这主要归因于农业区广泛使用氮基肥料和粪肥（He等人，2019年；Li等人，2025年；Min等人，2022年）。同时，抗生素在人类和动物疾病中的广泛使用导致其在地下水中越来越频繁地被检测到（Han等人，2023年；Topaz等人，2020年；Zainab等人，2020年）。抗生素通过多种途径进入地下水，主要通过动物废水和废水处理厂排放物进入地表水和沉积物，以及通过动物粪便和废水处理厂污泥进入土壤，进而进入地下水（Huang等人，2020年）。抗生素和硝酸盐在地下水中的共存引发了共污染问题（Boy-Roura等人，2018年；Chen等人，2024年；Gros等人，2021年）。靠近畜牧场、污水排放区和再生水利用区的地下水区域尤其容易受到这种双重污染的威胁（Gros等人，2021年；Guan等人，2023年），两者之间存在一定的相关性（Huang等人，2023年；Li等人，2022年）。抗生素的广谱抗菌特性有可能阻碍细菌生长，甚至导致细菌失活，从而影响硝酸盐等污染物的转化（Kohanski等人，2010年；Zou等人，2019年）。

氟喹诺酮（FQs）在地下水污染中已成为一个值得关注的问题（Zainab等人，2020年；Han等人，2023年）。FQs通过靶向细菌DNA旋转酶和拓扑异构酶IV发挥抗菌活性，稳定DNA-酶复合物并诱导DNA链断裂，从而抑制DNA复制、转录和修复过程。这种特性，加上它们在含水层中的化学持久性和流动性，使得它们在地下水中频繁被检测到并对生态系统产生影响。多项研究显示，FQs的浓度通常在307.3至1199.7 ng/L之间（Chen等人，2018年；Cui等人，2015年）。然而，在靠近养猪场或活性化粪池等来源的特定地下水区域，浓度可能高达35.3至122.7 μg/L（Kibuye等人，2019年；Li等人，2018年）。在这些FQs中，洛美沙星（LOM）因其持久性、生物累积性和毒性而尤为突出，甚至被列入优先控制污染物列表（Huang等人，2022年）。中国的研究发现，地下水中LOM的检测频率高达86.7%，浓度高达307.3 ng/L（Cui等人，2015年；Ma等人，2015年）。值得注意的是，即使在如此低的纳克/升水平下，LOM仍能显著影响地下水生态系统中的细菌生长（Zou等人，2019年）。此外，LOM在厌氧地下水条件下的持久性会进一步加剧其影响（Grenni等人，2018年；Ma等人，2015年）。

反硝化是控制地下水中硝酸盐减少的一个重要的生物地球化学过程，由催化硝酸盐和亚硝酸盐转化为无害氮气的微生物促进（Rivett等人，2008年；Zhou等人，2018年）。抗生素的加入可能会影响反硝化的速率和效率。先前的研究探讨了FQs对硝酸盐和亚硝酸盐积累以及N₂O排放的复杂影响（Li等人，2021年；Roose-Amsaleg等人，2021年；Li等人，2023年）。潜在的影响机制包括反硝化细菌、反硝化功能基因和抗生素耐药基因（ARGs）（Li等人，2021年；Zhang等人，2022年）。然而，这些研究使用了高浓度的FQs，通常在毫克/升（mg/L）范围内，而这些浓度在地下水检测水平中很少见。在相对较低的10 μg/L浓度下，萘氟沙星和加替沙星在地下水模拟反应器中均表现出显著的硝酸盐还原抑制作用。此外，通过研究碳源利用、电子转移系统和酶活性，进一步阐明了这种影响的潜在机制（Chen等人，2021年；Xu等人，2022年）。即使在100和500 ng/L的LOM暴露下，也观察到硝酸盐积累增加和ARGs富集，进一步强调了低浓度抗生素在地下水中的危害（Zou等人，2021年；Zou等人，2024年）。尽管这些研究人员指出了FQs对反硝化性能的负面影响，但在短期实验中尚未充分探讨FQs威胁后受损反硝化系统的恢复潜力。Hao等人（2019年）仅在探讨4–128 mg/L左氧氟沙星压力对氮去除性能的影响时讨论了微生物活性恢复的可能性。因此，应探索地下水反硝化的恢复潜力，以制定有效的应急调节策略，以应对纳克/升至毫克/升级别的FQs负荷。

为此，选择了浓度从纳克/升到毫克/升的LOM，以研究长期暴露于LOM下地下水反硝化的恢复潜力。本研究的目标是：（1）评估暴露于LOM时的反硝化恢复可能性，并确定恢复所需的时间；（2）评估不同LOM浓度（从纳克/升、微克/升到毫克/升）下的恢复潜力差异；（3）研究与不同LOM浓度相关的恢复模式和潜在机制。模拟中使用了与地下水相关的浓度（10、100和500 ng/L）和潜在的未来浓度（1、10、100 μg/L）。此外，实验中引入了1毫克/升的浓度作为假设浓度，以突出假设水平与纳克/升至微克/升范围之间的差异，从而便于讨论恢复机制。本研究将提供关于如何在纳克/升至毫克/升级别的LOM负荷下恢复地下水反硝化的新见解，以及微生物在此过程中的作用。

部分摘录

生物反应器设置和操作

静态反应器使用相同的有机玻璃瓶制成，每个瓶子的工作体积为1000毫升。实验程序包括以下步骤（图S1）。首先，制备pH值为7.30±0.05、初始NO₃^?-N浓度为50 mg/L的合成地下水。这种合成地下水由以下成分组成（每升）：0.216克NaHCO₃、0.059克MgSO₄·7H₂O、0.028克CaCl₂和0.361克KNO₃。在121°C下高压灭菌15分钟后，确保无菌。

反硝化性能

如图S2所示，在两个驯化周期后，建立了稳定的反硝化速率。在不同浓度的LOM添加后，反应器运行了7个硝酸盐污染周期（C1–C7，持续58天），如图S3所示。LOM对反硝化的影响在10–500 ng/L和1–100 μg/L水平之间没有显著差异。因此，分别在纳克/升和微克/升水平上进行平均分析，以评估LOM的影响

结论

本研究探讨了地下水反硝化在暴露于不同浓度LOM下的抑制和恢复过程，特别是在低水平地下水污染（10、100和500 ng/L）、高水平医疗污染（1、10和100 μg/L）以及假设浓度（1毫克/升）的条件下。结果表明，与碳源相比，LOM在地下水相关浓度（纳克/升至微克/升）下对反硝化的影响是一个次要因素。

CRediT作者贡献声明

邹华：撰写——原始草稿、可视化、项目管理、方法论、调查、资金获取、正式分析、数据管理。何江涛：撰写——审阅与编辑、监督、概念化。刘飞：撰写——审阅与编辑、监督、资源管理、概念化。褚燕佳：可视化、调查、数据管理。夏启文：方法论、正式分析、数据管理。曹志明：验证、正式分析。李海燕：撰写——审阅与

致谢

作者感谢国家自然科学基金（编号：42507111）提供的财务支持。