Castellaniella defragrans HL-1高效生物转化诺氟沙星的动力学、代谢途径及基因组学机制研究

本研究针对污水处理厂中诺氟沙星(NOR)难降解问题，从活性污泥中分离获得高效降解菌株Castellaniella defragrans HL-1。通过单因素实验和响应面法(RSM)优化条件，24 h内实现1-5 mg L-1 NOR的78.4-89.2%去除，动力学常数k(0.070-0.093 h?1)优于现有报道。LC-MS/MS鉴定出15种中间产物，基因组分析揭示其完整的NOR降解酶系统，为氟喹诺酮类抗生素的生物修复提供新策略。

　　

氟喹诺酮类抗生素(FQs)在全球范围内的过度使用已构成严峻的环境挑战。作为典型代表的诺氟沙星(NOR)，每年以万吨级规模进入环境，但传统污水处理工艺对其去除效率不足30%，更令人担忧的是，低至1 μg L^-1
的NOR就可使厌氧氨氧化污泥活性降低30%，并显著增加抗生素抗性基因(ARGs)的丰度。面对这一困境，来自广州的研究团队在《Journal of Hazardous Materials》发表的研究成果，为NOR污染治理提供了创新解决方案。

研究团队采用多阶段NOR胁迫(5-45 mg L^-1
)对五处污水处理厂的活性污泥进行123天驯化，通过梯度稀释法分离获得优势菌株HL-1。经16S rRNA鉴定为Castellaniella defragrans，这是首次报道该属细菌具有NOR高效降解能力。关键技术包括：响应面法(RSM)优化降解条件、液相色谱-串联质谱(LC-MS/MS)分析代谢产物、ECOSAR软件评估产物毒性、发光细菌急性毒性测试、以及全基因组测序解析降解机制。

【Sludge acclimation and strain isolation】部分显示，经过七阶段驯化后，菌株对35 mg L^-1
NOR的耐受性显著提升，这归因于NOR压力下微生物群落的适应性进化。单因素实验确定最佳条件为pH 7.5、35℃、0.987 g L^-1
NaAc和OD₆₀₀
=0.335，在此条件下1 mg L^-1
NOR的24 h去除率达89.2%，动力学常数k为0.093 h^-1
，较已报道菌株提高3-10倍。

【Chemical reagents】至【Sludge acclimation and strain selection】章节详细描述了实验设计。值得注意的是，菌株在NaAc共代谢条件下表现最优，暗示碳源类型对降解效率的关键影响。通过LC-MS/MS分析，研究者鉴定出15种中间产物，其中7种苯环酚羟基化代谢物属首次发现。EAWAG-BBD数据库预测这些产物可最终转化为甘氨酸，形成完整的矿化途径。

【Conclusion】部分强调，基因组分析揭示了C. defragrans HL-1具备完整的NOR降解酶系统，包括细胞色素P450介导的羟基化、N-乙酰化和哌嗪环裂解等关键酶基因。发光细菌毒性测试显示，处理后样品急性毒性降低56.1±3.3%，证实了生物降解的有效性。

这项研究的突破性发现体现在三个方面：首先，C. defragrans HL-1展现出目前最高的NOR降解动力学常数；其次，发现了全新的酚羟基化代谢途径；最重要的是，基因组解析为定向改造降解菌提供了分子靶点。正如【Environmental Implication】所述，该菌株对NOR浓度波动的强耐受性(5-45 mg L^-1
)，使其在实际污水处理中具有显著应用潜力。研究不仅为解决抗生素环境污染提供了高效生物工具，更为理解氟喹诺酮类抗生素的微生物降解机制建立了新范式。