人工甜味剂"阿斯巴甜"对硫驱动反硝化系统的功能基因组学解析及其微生物响应机制

《Environmental Chemistry and Ecotoxicology》：Functional genomic analysis reveals bacterial response of thiosulfate-driven denitrification to artificial sweetener “aspartame”

本研究针对阿斯巴甜(ASP)在硫驱动厌氧反硝化系统中的生态风险，通过梯度暴露实验(0-25 mg/L)结合功能基因组学分析，发现低浓度ASP虽短暂抑制脱氮效率(从97%降至78%)，但系统通过富集Thiobacillus和Rhodocyclaceae核心菌群并上调soxB、nar、nir、nos等关键基因表达，形成类免疫调控网络，最终实现功能恢复。该研究为评估新兴污染物对废水处理系统的干扰机制提供了分子生态学证据。

　　

随着无糖饮料的全球风靡，人工甜味剂的环境残留与生态风险日益引发关注。其中阿斯巴甜(ASP)作为使用最广泛的甜味剂之一，不仅被世界卫生组织列为2B类可能致癌物，更因其在污水处理厂中仅25%-58%的去除率而成为持久性污染物。尤其值得警惕的是，阿斯巴甜易吸附在活性污泥上，可能随环境变化重新释放造成二次污染。在"双碳"战略背景下，传统依赖有机碳源的反硝化技术面临瓶颈，而以硫代硫酸盐为电子供体的自养反硝化技术，因其碳中和技术优势成为绿色脱氮的新方向。然而，饮料废水中高浓度的阿斯巴甜是否会破坏硫驱动反硝化系统的微生物功能？这一科学问题尚未得到系统解答。

为破解这一难题，深圳大学周立杰团队在《Environmental Chemistry and Ecotoxicology》发表研究，通过建立硫代硫酸盐驱动厌氧反硝化反应器，采用0、5、10、25 mg/L梯度阿斯巴甜暴露实验，结合宏基因组测序与机器学习算法，首次揭示了阿斯巴甜胁迫下微生物群落的应答机制。研究发现，虽然低浓度阿斯巴甜初期导致硝酸盐积累和脱氮效率下降，但系统迅速通过富集Thiobacillus和Rhodocyclaceae核心菌群实现功能恢复。这些菌群通过上调硫氧化(soxB)和反硝化(nar, nir, nos)关键基因表达，形成类似免疫调控网络的代谢补偿机制，即使在高浓度阿斯巴甜胁迫下仍保持97%以上的脱氮效率。

研究团队主要运用了以下关键技术：首先构建了实验室规模的厌氧反应器模拟硫驱动反硝化过程，使用来自深圳南山污水处理厂的活性污泥作为接种源；其次通过高效液相色谱(HPLC)监测阿斯巴甜浓度变化，采用离子色谱(IC)分析硫代硫酸盐和硫酸盐浓度；同时利用宏基因组测序解析微生物群落结构演变，并通过酶联免疫吸附测定(ELISA)检测关键反硝化酶活性；最后引入随机森林机器学习模型，从高维基因表达数据中识别出对阿斯巴甜胁迫最敏感的生物标志物。

微生物群落响应特征显示：在门水平上，Pseudomonadota(变形菌门)相对丰度达40%-73%，与硫氧化反硝化功能密切相关的Thiobacillus(硫杆菌属)在属水平呈现持续上升趋势。值得注意的是，具有芳香族化合物降解潜能的Actinobacteria(放线菌门)丰度从3.9%降至0.8%，而携带反硝化基因的Rhodocyclales(红环菌目)从4%升至12%，暗示微生物群落发生了功能重构。

氮硫循环耦合分析发现：在阿斯巴甜暴露初期，硝酸盐还原酶基因nar表达受抑，伴随硝酸盐积累；但随着胁迫时间延长，nirS(亚硝酸盐还原酶基因)和nosZ(氧化亚氮还原酶基因)表达显著上调，与ELISA检测的酶活性变化趋势一致。硫代谢方面，硫氧化关键基因soxB在25 mg/L ASP时达到峰值，而硫酸盐还原相关基因aprAB和dsrAB在Rhodocyclales中持续增加。Pearson相关性分析揭示氮硫功能基因总量呈显著正相关(r=0.976，p<0.01)，其中soxB与nirS的协同表达关系(r=0.943)尤为突出，证实了硫氧化与反硝化过程的电子传递耦合机制。

机器学习模型进一步识别出nasC(硝酸盐同化基因)、aprB(腺苷酰硫酸还原酶基因)、soxB(硫氧化基因)和nosZ作为核心应答基因。这些基因的表达水平与阿斯巴甜浓度高度相关，构成了微生物应对有机胁迫的"稳态核心网络"。随机森林回归模型显示，这些关键基因能准确预测系统对阿斯巴甜的耐受阈值，为工程化系统的智能监控提供了生物标志物体系。

该研究首次从功能基因层面阐明了阿斯巴甜对硫驱动反硝化系统的干扰机制与恢复途径。研究发现的核心微生物模块(Thiobacillus-Rhodocyclaceae)及其调控网络，不仅解释了系统在有机胁迫下的功能韧性，更为优化废水处理工艺提供了理论依据。特别值得注意的是，虽然高浓度阿斯巴甜导致nosZ基因丰度下降20%，可能引发温室气体N₂O排放风险，但系统通过增强硫氮代谢耦合有效补偿了这一缺陷。这种类免疫调节机制为开发抗干扰型废水处理系统提供了新思路，对评估新兴污染物在环境中的迁移转化规律具有重要科学价值。