近日，武汉理工大学土木工程与建筑学院张世羊研究团队在环境科学与生态学1区期刊 Journal of Cleaner Production 上发表了题为 “Deciphering the response of heterotrophic, autotrophic and mixotrophic denitriffcation to enroffoxacin stress: Performance, denitrifying community and antibiotic resistance genes” 的研究论文。

抗生素经常与废水中的硝酸盐（NO ₃ ^- -N）共存。本研究系统探讨了恩诺沙星（ENR）在平行条件下对自养、异养和混合营养反硝化过程微生物性能的负面影响。四个阶段的ENR浓度依次设定为0、0.1、1和10 mg/L。随着进水ENR浓度的增加，基于黄铁矿自养反硝化系统的硝酸盐去除效率（ NrE ）逐渐下降至11.08%（最小值）， narG/H/I 和 napA/B 基因的表达减少。然而，基于聚己内酯的异养反硝化（PHD）和混合营养反硝化系统中的 NrE 略有下降（最低 NrE 分别为88.10%和85.28%），而在PHD系统中表达的 narG/H/I （0–1mg/L）和 napA/B 基因逐渐增加。ENR的去除途径主要是通过基质和/或生物膜吸附而不是生物降解。增加ENR的浓度（0-10mg/L）会降低PHD系统中能够降解 聚合物的功能属 （ Syntrophomonas, Lentimicrobiaceae_unclassiffed,Bacteroidetes_vadinHA17_unclassiffed, and Clostridium ） 的相对丰度，但会提高PAD系统中优势菌属 Thiobacillus 的相对丰度。网络分析表明，PAD系统中的硫杆菌以及PHD系统中的 Anaerolineaceae_unclassified 和 Simplicispira 对ENR胁迫具有抗性。

硝酸盐和抗生素污染的环境风险近年来备受关注。硝酸盐污染不仅导致水体富营养化，还会导致高铁血红蛋白血症等严重疾病，而抗生素具有的一定的毒性，可能会抑制生物降解，过量可能会降低自然生态系统中碳源利用效率，并导致细菌间抗生素抗性基因（ARGs）交换增加。恩诺沙星（ENR）作为一种主要抗生素，是兽医临床上使用的第一个氟喹诺酮类合成抗生素，已被广泛用于治疗耐药病原菌感染的家畜和水产动物。与其他抗生素相比，ENR更加顽固和耐药，因为其复杂的分子结构包含氟原子，导致在活性污泥中的生物降解半衰期较长，对受纳水体环境构成严重威胁。迫切需要制定适当的处理措施来减轻其环境风险。

为探讨和ENR对平行条件下发生的自养、异养和混合营养反硝化过程的影响的比较研究和其对微生物的影响。本研究构建了三个上流式固定床连续流生物反应器，分别基于黄铁矿自养反硝化 （PAD）、聚己内酯异养反硝化（PHD）和混合营养反硝化。本工作的目的是：1）考察3种生物反应器在平行条件下处理合成硝酸盐和含ENR废水的净化性能；2）通过分析氮或硫循环中关键基因的表达水平、细菌结构和ARGs的动态变化以及ARGs与功能属之间的相互作用；3）探讨ENR对微生物反硝化性能的影响机制。本研究的结果可能有助于维护实际应用中处理硝酸盐和ENR废水的自养反硝化反应器。

结果表明，在阶段Ⅰ，不含ENR的情况下，三个反应器的 NrEs 都达到了95%以上。随着阶段Ⅰ-Ⅳ ENR浓度的增加，PAD过程逐渐受到抑制，pH值升高，而一旦ENR胁迫减轻或消除，黄铁矿可以恢复其高 NrE 。相反， PHD和混养自养反硝化不易受到ENR的抑制。阶段Ⅳ中，10 mg/L ENR胁迫对PAD工艺中的亚硝酸盐还原有明显的抑制作用，但对PHD和混合营养反硝化过程影响不大。此外，随着ENR胁迫的增加，异化硝酸盐还原为氨 （DNRA） 的过程由于COD浓度下降而减弱，导致有效铵态氮浓度逐渐降低。

黄铁矿对ENR有很强的吸附能力，低浓度的ENR可能会被完全吸附。而PCL对ENR的吸附性能低于黄铁矿。此外，ENR具有很强的杀菌作用，ENR去除的主要途径被认为是基质和/或生物膜的吸附，而不是生物降解。还观察到在阶段Ⅳ更高ENR浓度下，黄铁矿和PCL对ENR的吸附量均远高于阶段Ⅲ。

可以看出，PN是EPS的主要成分，是PS含量的2.2-6.4倍，这可能是因为胁迫诱导微生物分泌更多的PN。阶段Ⅰ-Ⅲ中，随着ENR浓度的增加，EPS含量也增加。这是因为反硝化细菌产生了更多的胞外多糖来抵抗的毒性作用，而紧密的胞外多糖阻止了与微生物的直接接触。PN/PS比值的增加说明PN比PS更易受的影响，这也可能意味着与PS相比，PN是细菌对ENR胁迫的主要防御反应。

但阶段Ⅳ中，随着ENR浓度增加到10毫克/升，三个反应器中的EPS含量急剧下降。这可能是因为ENR浓度已经超过了EPS抵抗ENR的阈值。ENR进入微生物聚集体增强了ENR对微生物的生物毒性。而PN含量的下降幅度大于PS，因此PN/PS比值下降

在PHD系统中，变形菌的相对丰度较高（A），其相对丰度的快速增加（阶段I-III，R2_0 mg除外）可能是对ENR胁迫的抗性和对ENR降解的适应。PHD系统中类杆菌的相对丰度为：阶段Ⅱ＞阶段Ⅰ＞阶段Ⅲ＞阶段Ⅳ，这与有效COD浓度的变化趋势一致，表明高ENR浓度会减缓PCL的水解速率。 Desulfomicrobium 在R3（上层）的丰度从8.46%（阶段Ⅰ）下降到0.12%（阶段Ⅳ），并且前面所述有效SO ₄ ^2- 浓度成比例，这表明高SO ₄ ^2- 浓度有利于 Desulfomicrobium 的富集。 Syntrophomonas 、 Lentimicrobiaceae_unclassiffed 、 Bacteroidetes_vadinHA17_unclassiffed 和 Clostridium 的生长受到ENR胁迫的抑制，这可能是有效COD浓度下降的原因。

在PAD系统中，变形菌是优势门。随着ENR浓度的增加变形菌明显减少（除了R3下层），这与PAD系统中 NrE 的变化趋势一致；PAC系统中含氯氟烃丰度逐渐增加，这可能是由于含氯氟烃中含有亚硝酸还原酶（Nir），系统中亚硝酸的积累逐渐增加，促进了含氯氟烃的富集。 Thiobacillus （属于变形菌属）是优势属，其先下降（阶段I-II）后上升（阶段III-IV）的趋势（图B），反映了 Thiobacillus 对ENR胁迫的适应，也可能意味着 Thiobacillus 对ENR胁迫具有很强的耐受性。 Sulfurifustis 是一种S ⁰ 化能自养反硝化菌，其相对丰度远低于 Thiobacillus 的相对丰度，可能是因为在底物充足的情况下， Thiobacillus 比 Sulfurifustis 更具竞争力。

在PHD系统中，随着ENR浓度的增加（0-1 mg/L）， narG/H/I 的丰度逐渐增加，但当ENR浓度达到10 mg/L时，其丰度突然下降；而 napA/B 的丰度逐渐增加（R3_U_0 mg除外），说明固相脱氮效率不易被ENR胁迫抑制（图A）。当ENR浓度达到10 mg/L时 narG/H/I 和 napA/B 的相对丰度降低，表明高浓度ENR抑制了 narG/H/I 的表达，从而降低了 NrE 。本研究发现，ENR胁迫对脱氮的影响主要集中在NO ₃ ^- -N还原为NO ₂ ^- -N的步骤上。PCL系统（除了R3_U_0 mg）中， nirS/K 丰度与ENR浓度呈正相关，表明ENR胁迫对亚硝酸盐还原没有抑制作用。然而，ENR浓度为10 mg/L时， R1中 nirS/K 的降低表明高浓度ENR可以抑制PAD系统中亚硝酸盐的还原。

从脱氮机理来来看， DNRA发生在PCL系统，与上述对R2_E2和R3_E2出水NH ₄ ⁺ -N有效积累的推测相符。高浓度ENR会加强PHD或PAD系统中同化亚硝酸盐还原为铵（ANiRA）的能力。PAD系统中（除R1_L_0.1 mg和R3_L_10 mg外）， sqr 的丰度均高于 soxY/Z 的丰度，表明SQR是硫氧化的主要途径。随着ENR浓度的增加， sqr 丰度降低（除了R1_0 mg和R3_L_10 mg），这意味着ENR浓度的增加降低了硫氧化的潜在能力。

ENR胁迫增强了总ARGs的表达，但不同类型的ARGs可能有不同的变化趋势。在PAD系统中ENR浓度的增加可以诱导ARG的富集。对于PHD系统中的FCA亚型，高ENR浓度（10 mg/L）下 adeA/cmeA 、EmrB/QacA 、mexE, mexF 、qepA 和oqxA 的数量高于低浓度（0.1 mg/L）的数量，而其余FAC亚型的趋势相反。其他ARG亚型中也观察到类似的趋势。ARGs的数量及其分布也受到ENR胁迫的影响。R1中MRPN基因的比例低于R2，表明PAD过程可能会抑制MRPN的表达。非抗性基因的增加可能是遗传物质上存在的不同ARGs的间接选择性富集的结果。

PAD系统中（图A）， Thiobacillus 与8个ARGs呈正相关，有四个属于FCA亚型，表明 Thiobacillus 为优势属，对ENR具有抗性，并可能参与其生物降解。此外，可能成为ARG潜在宿主的异养反硝化菌大大的减少有助于降低ARG传递的风险。在PHD系统中（图B）， Denitratisoma 与16个ARGs呈正相关， Betaproteobacteria _ unclassiffed 与21个ARGs呈正相关， Dechloromonas 与8个ARGs呈正相关，表明这三个属可能是PHD系统中ARGs的潜在宿主。在与 Anaerolineaceae _ unclassiffed （异养反硝化细菌）呈正相关的8个ARGs中，有4个属于FCA亚型，表明优势反硝化细菌能够抵抗ENR，并在ENR胁迫下维持有效的反硝化作用。此外，通常参与异养反硝化的 Simplicispira 与7 个ARGs呈正相关，其中4个为MRPN亚型，可以抵抗多种类型的抗生素。

在本研究中，PCL对ENR的吸附能力弱于黄铁矿。随着ENR浓度的增加（0-1 mg/L），胞外多糖的分泌增加，其中光合速率是光合速率的2.2-6.4倍。1 mg/L ENR胁迫可显著提高PN/PS，PN是细菌对ENR胁迫的主要防御反应。ENR浓度的增加促进了PHD或PAD系统中的AniRA，但降低了硫化物氧化的潜在能力。与PHD过程相比，在PAD过程中MRPN基因的表达受到更严重的抑制。