人工湿地中共生菌群的电化学调控：在氯霉素胁迫下实现氮去除与抗生素抗性风险控制的双重效益

《Water Research》：Electrochemical steering of syntrophic consortia in constructed wetlands: Dual benefits for nitrogen removal and antibiotic resistance risk control under chloramphenicol stress

　　

谢家伟|张黎明|朱新宇|周雷|王伟聪|吴双琦|陈崇军|周巧红|朱峰|程水萍

教育部长江水环境重点实验室，同济大学环境科学与工程学院生态环境工程研究所，上海200092，中国

摘要

含有抗生素的低C/N废水会严重抑制人工湿地（CWs）中的生物氮去除过程，并加剧抗生素抗性基因（ARG）的传播。虽然生物电化学集成（BES-CW）提供了一种解决方案，但在氯霉素（CAP）浓度梯度下平衡处理效率和抗生素抗性风险的最佳配置仍不明确。本研究比较了不同CAP浓度（0.1–5 mg·L?¹）下的微生物燃料电池-CW（FCW）和微生物电解池-CW（ECW），强调了电化学环境的调节作用。结果表明，ECW由于其更宽的电位梯度（160–200 mV），显著提高了总氮去除率（88.1 ± 2.3% vs. 81.2 ± 2.9%，p < 0.05），尤其是在0.1 mg·L?¹ CAP时。这种优势源于一种电化学引导的共生联盟（阳极：发酵-电活性菌；阴极：自养还原菌），它通过协调的电子转移实现了CAP的解毒和硝酸盐的还原。此外，ECW通过增强生理适应性（例如，增加细胞外聚合物物质的分泌和抗氧化酶活性）以及核心微生物对ARG的内在抗性来缓解CAP的抑制作用，并通过“生态筛选-生化防御-物理屏障”机制抑制ARG的移动，从而降低了总ARG丰度（FCW中为0.49拷贝/细胞，而ECW中为0.68拷贝/细胞）。本研究证明，低功率的ECW配置通过电化学引导共生联盟实现了处理性能和生态安全的双重优化，为设计高效且生态安全的CW系统提供了新的机制框架。

引言

水环境中持续存在的大量抗生素推动了耐抗生素细菌（ARB）和抗生素抗性基因（ARG）的传播，带来了重大的生态和健康风险（Zhang et al., 2022b）。人为来源的残留抗生素在全球水环境中广泛检测到（ng·L?¹至mg·L?¹），其中水产养殖废水排放是主要来源，因为兽医药物的使用非常普遍（Wang et al., 2024）。氯霉素（CAP）是一种常用的兽医抗生素，其氯/硝基取代基具有强吸电子性，与磺胺类或四环素类抗生素相比，具有更高的生物毒性（Zhang et al., 2022a）。监测研究表明，CAP在自然水环境中的检出频率显著较高，最高报告浓度达到156 μg·L?¹（Lin et al., 2022），甚至在制药废水排放中高达3.1 mg·L?¹（Zhou et al., 2021）。

人工湿地（CWs）是一种广泛使用的生态兼容且成本效益高的三级处理技术，用于减少抗生素向自然环境的释放（Chen et al., 2013; Zhou et al., 2026）。然而，CW依赖于生物降解，在处理含有残留CAP的低C/N废水时，会显著抑制生物氮去除过程，同时可能促进适应性反硝化菌的增殖及其向邻近细菌的传播，从而加剧CW中的生态风险（Zhang et al., 2025a）。将生物电化学系统与人工湿地结合（BES-CWs）已成为一种有前景的解决方案，可以减轻抗生素抗性并提高氮去除效率，因为BES提高了电子利用效率，有效去除CAP，从而可能减轻其对氮转化细菌的压力并抑制ARG的传播（Xie et al., 2024）。根据电流来源的不同，BES-CWs主要分为微生物燃料电池-CW（FCW）和微生物电解池-CW（ECW），它们在电化学环境方面存在根本但未被充分强调的差异：FCW依靠电活性微生物产生的生物电形成温和的电位梯度，而ECW则通过施加电压创建陡峭的电位梯度和强还原性微环境（Zhang et al., 2026）。这种电化学差异导致了关于抗生素抗性风险的不同结论。Liu et al.（2023）认为ECW可能会增加细菌突变率和ARG的接合转移，从而促进ARG的富集，而Wang et al.（2025a）则认为ECW增强了抗生素降解并抑制了水平基因转移（HGT）事件，从而降低了抗性风险。这些相互矛盾的发现可能源于对单一抗生素浓度的依赖以及使用有限的ARG评估方法，这些方法掩盖了剂量-反应关系，阻碍了全面的ARG风险评估。因此，必须采用多维ARG分析方法来研究电化学环境的变化如何影响不同抗生素浓度梯度下的ARG动态。

理论上，BES-CWs中的生物氮去除依赖于氮转化菌和电活性菌之间的共生相互作用，例如硝化菌-反硝化菌的合作以及外电子供体与自养还原菌之间的相互依赖，这些通过跨细胞和细胞内/外的电子转移（I/EET）维持。这种共生网络是系统在CAP压力下的韧性基础（Kreft et al., 2020; Zhang et al., 2024）。然而，氮转化菌和电活性菌都被发现可能是ARG的宿主，特别是参与N-有机物降解和合成的异化硝酸盐还原菌，甚至包括致病菌属如Pseudomonas（Wu et al., 2025; Zhao et al., 2025）。此外，微生物相互作用被认为是控制ARG传播的关键生态因素，因为它们可以通过稳定群落结构或诱导生理压力来增强抗性转移潜力（Wang et al., 2025b; Yu et al., 2025）。这提出了一个关键但研究不足的悖论：支持核心生态功能的协同网络可能同时成为促进ARG传播的“双刃剑”。因此，阐明不同电化学环境如何塑造这种共生网络以及核心共生联盟如何在氮去除和抗生素抗性风险之间取得平衡，对于评估和改善BES-CW技术的生态安全性至关重要。

为了系统地研究上述电化学差异如何影响系统性能和CAP压力下的抗生素抗性风险，分别在受控暴露时间和CAP浓度梯度下运行了四组实验室规模的ECW和FCW系统。本研究中使用的浓度梯度（0.1–5 mg·L?¹）涵盖了环境相关检测范围（μg·L?¹）到制药废水排放水平（mg·L?¹范围），从而能够系统地评估BES-CW在不同暴露情景下的响应。本研究旨在解决以下四个问题：1）在不同CAP浓度梯度下，ECW和FCW的氮去除性能和ARG动态有何差异？2）FCW和ECW之间的电化学变化如何塑造了关键共生联盟的结构差异？3）在不同电化学环境下引导的共生网络如何确保系统在CAP压力下的氮去除效率和功能韧性？4）这些网络中的核心共生成员如何调节ARG的传播途径？总之，通过整合宏观性能分析、生物膜生理特征和基于宏基因组学的分析，本研究建立了电化学设计如何引导共生网络组装以共同优化系统性能和抗生素抗性风险的机制框架，为设计高效且低风险的CW系统提供了理论基础。

章节片段

BES-CWs的建立和运行

构建了八个BES-CW系统（高度：50厘米，直径：10厘米），具有相同的分层结构（从下到上）：5厘米砾石（5–8毫米），5厘米石墨阳极（3–5毫米），5厘米砾石（3–5毫米），5厘米石墨阴极（3–5毫米），以及20厘米表层砾石（3–5毫米），并在表层种植了Iris pseudacorus（图S1）。这些系统分为两组：ECW（电极连接到0.2 V弱电源和100 Ω电阻器）和FCW（电极仅通过电阻器连接）（Fang et

在CAP压力下，ECW的优越电化学环境优于FCW

ECW和FCW之间的根本区别在于它们的电化学环境。由于CAP的适应性和实验过程中的温度变化，电流波动显著，ECW的电流（7.56 ± 2.31 mA）始终高于FCW（2.04 ± 0.63 mA），特别是在ECW-0.1组中（图1a）。同样，ECW提供的可用电子数量也显著更多（1.65 vs. 1.25 mmol），并且具有浓度依赖性（图1b）。

电化学环境引导共生联盟的形成

微生物群落的稳定性是BES-CWs高效运行的基础，而微生物对抗生素的适应主要由种间竞争和合作营养相互作用驱动（Wu et al., 2024）。虽然之前的研究主要使用网络分析来识别关键分类单元，但这些纯数据驱动的方法没有提供关于群落组装驱动因素的充分机制见解（Liu et al., 2021; Lu et al., 2025; Ma et al.,

结论

本研究证实，BES-CWs中的电化学环境从根本上驱动了整个CAP浓度梯度下的氮去除和抗生素抗性动态。ECW由于其更宽的电位梯度，积极促进了紧密结构的电活性共生联盟的形成。该联盟通过协调的解毒和反硝化过程确保了高效和有韧性的氮去除。

CRediT作者贡献声明

谢家伟：撰写 – 原稿撰写、可视化、方法学、研究、数据整理。张黎明：方法学。朱新宇：撰写 – 审稿与编辑、方法学、形式分析。周雷：方法学。王伟聪：方法学。吴双琦：方法学。陈崇军：撰写 – 审稿与编辑。周巧红：监督、软件、资源。朱峰：撰写 – 审稿与编辑、监督、软件、资源、方法学。程水萍：撰写 – 审稿与编辑，

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（52170168）和中国建筑第八工程有限责任公司（2024-3-24）的财政支持。