Exiguobacterium sp. CAP4对氯霉素的生物转化作用及其在模拟废水中对氯霉素生物降解的强化作用

《Journal of Environmental Radioactivity》：Detoxifying biotransformation of chloramphenicol by Exiguobacterium sp. CAP4 and its bioaugmentation of chloramphenicol biodegradation in simulated wastewater

氯霉素（CAP）在畜牧业中的广泛使用导致其积累于粪便，威胁环境和健康。本研究发现从鸭粪叶绿体分离的Exiguobacterium sp. CAP4可在4天内降解97.8%的5 mg/L CAP浓度，鉴定出24种代谢产物，包括2种新化合物TP166和TP203，揭示了CAP生物降解途径。该菌株在未灭菌牛粪中成功定殖并增强CAP降解效果，为现场废水处理提供了有希望的微生物资源。

　　

袁诗雨|平静尧|陈怀艺|刘杰|谭泽文

国家绿色农药重点实验室，中国广州510642

摘要

氯霉素（CAP）在牲畜中的广泛使用导致其在大牲畜粪便中积累，对环境和人类健康构成威胁。因此，在重新利用和施用之前，有必要通过微生物修复方法消除或降低粪便中的CAP浓度。在本研究中，从鸭粪的塑料球中分离出的Exiguobacterium sp. CAP4菌株能够在初始CAP浓度为5 mg/L的情况下，4天内以97.8%的生物降解效率降解CAP。共鉴定出24种生物转化产物，其中包括两种新的转化产物TP166和TP203，这些产物丰富了CAP生物降解途径。此外，通过生物转化产物的毒性评估，将该生物转化过程视为一种解毒过程。值得注意的是，Exiguobacterium sp. CAP4菌株在接种后成功定殖于牛粪中，并增强了原始牛粪中CAP的生物降解能力。本研究显著扩展了我们对CAP生物转化途径的理解，并为含CAP废水的原位生物修复提供了一种有前景的细菌菌株。

引言

由于抗生素对土壤微生物群落的毒性作用以及促进抗生素抗性基因（ARG）的传播（Bueno等人，2023年），抗生素污染已成为对环境和人类健康的威胁。抗生素已在各种环境介质中被检测到，如耕作土壤、河流水/沉积物、市政污水，甚至食品来源中（Li等人，2024年；Lin等人，2022年；Wang等人，2024年）。氯霉素（CAP）作为一种有效的兽用抗生素，由于其广谱抗性和低制造成本，仍被用作人类药物（Liu等人，2021年）。2013年，中国使用的氯霉素抗生素总量接近11,230吨，其中11%为CAP。由于CAP在牲畜中的广泛使用，牲畜粪便成为CAP污染的主要来源，导致粪便中CAP残留浓度很高（例如猪粪中的残留浓度高达mg/kg，Gaballah等人，2024年；Li等人，2024年）。因此，在重新利用牲畜粪便之前，减少或消除其中的CAP残留物对于控制CAP污染至关重要。

化学和物理修复方法因其快速响应、广谱选择性等特点被用于去除有机污染物。例如，Falyouna等人（2022年）使用Fe⁰/钛纳米线（Fe⁰/TNW）纳米复合材料从废水中去除环丙沙星（CIP），120分钟内实现了67%的去除效率（CIP的最高去除能力为99.64 mg/g）。然而，这些方法的一些特性，如脱附、操作复杂性、二次污染等，限制了它们在实际系统中的应用。相比之下，微生物修复方法由于具有环保、低成本且无二次污染等优点，具有广泛的应用前景（Zhang等人，2020年；Ma等人，2020年）。例如，Liang和Hu（2021年）分离出一种能够降解磺胺甲噁唑（SMX）和固定镉的细菌Achromobacter sp. L3，分别实现了91.98%和100%的去除效率。此外，Shi等人（2021年）从一家制药废水处理厂中分离出一种新的四环素降解菌Arthrobacter nicotianae OTC-16，增强了猪粪和鸡粪中氧四环素和四环素的降解效率，最高降解效率达到91.54%。尽管已经提出了五种CAP生物转化途径，包括羟基（-OH）氧化、-OH基团乙酰化、硝基还原、C-C键（CAP的C1′-C2′）断裂和氨基水解，但CAP的降解机制仍不完整（Wang等人，2025年；Ma等人，2020年）。因此，在将功能性细菌或菌群应用于受CAP污染的环境之前，改进CAP的微生物降解机制并预测其转化产物的毒性是必要的。

Exiguobacterium菌株栖息在多种环境中，并具有某些特殊功能，如海洋沉积物、含盐废水、石油污染土壤、海洋塑料、煤化工废水等（Cui等人，2021年；Gao等人，2025年；Kasana和Pandey，2018年）。不同种类的Exiguobacterium菌株在有机污染物降解和重金属去除方面表现出优异的能力，例如吡啶（Gao等人，2025年）、塑料（Tripathy等人，2024年）、磺胺甲噁唑（Tian等人，2024年）、六价铬（Das等人，2021年）等。因此，Exiguobacterium在增强有机污染物降解，尤其是抗生素生物修复方面具有巨大潜力。

作为广谱兽用抗生素的CAP经常在粪便中被检测到，需要在重新利用之前将其消除。因此，在本研究中，通过Exiguobacterium sp. CAP4菌株探讨了CAP的潜在降解途径及其转化产物的毒性。此外，还量化了通过接种CAP4菌株增强原始牛粪中CAP生物降解的效果。本研究的目标是：（1）表征该降解菌株的最佳CAP降解条件；（2）阐明该降解菌株的CAP生物转化机制；（3）评估模拟粪便废水中CAP降解的生物增强效果

部分内容

细菌和化学试剂

本研究使用了之前从鸭粪的塑料球中分离出的具有CAP降解能力的Exiguobacterium sp. CAP4菌株（Tan等人，2025年）。Escherichia coli DH5α菌株购自GenStar Biosolutions（北京，中国）。

CAP（纯度≥98%，CAS#56-75-7）购自Macklin（上海，中国）。甲醇和乙腈（HPLC梯度级）购自Aladdin（上海，中国）。LB培养基、蛋白胨和酵母提取物购自Merck（达姆施塔特，

营养物质对Exiguobacterium sp. CAP4降解CAP的影响

已经验证具有CAP降解能力的Exiguobacterium sp. CAP4菌株是从我们之前的研究（Tan等人，2025年）中从鸭粪的塑料球中分离出的。该菌株已存入广东省微生物菌种保藏中心（GDMCC NO.64770）。在本研究中，使用CAP4菌株来改善微生物的CAP生物转化机制，并探索其在原位废水中的生物增强效果。Exiguobacterium菌株栖息在多种环境中

结论

本研究旨在丰富CAP的生物转化机制，并为非无菌实际系统中的CAP降解提供有前景的细菌菌株。Exiguobacterium sp. CAP4菌株在4天内通过共代谢作用表现出97.8%的CAP降解能力，这一结果与一级动力学模型非常吻合，其速率常数（k）值为2.87 d^-1。使用UPLC-QTOF-MSMS鉴定出共24种生物转化产物。值得注意的是，其中两种

作者贡献声明

袁诗雨：数据整理与分析、实验调查和样品检测。平静尧：实验调查、软件处理和正式数据分析。陈怀艺：软件处理和正式数据分析。刘杰：数据采集与分析、实验调查和监督。谭泽文：监督和写作——审稿与编辑。

数据可用性

数据可应要求提供。

附录A 补充数据

与本文相关的补充数据可在在线版本xxxxxx中找到。

未引用的参考文献

Gao等人，2024年；Li等人，2024年；Wang等人，2024年；Zhao等人，2024年

CRediT作者贡献声明

袁诗雨：实验调查、正式数据分析、概念构建。平静尧：方法设计、资金获取。陈怀艺：实验调查、正式数据分析、概念构建。刘杰：写作——审稿与编辑、初稿撰写、项目管理、方法设计、资金获取。谭泽文：写作——审稿与编辑、初稿撰写、项目管理、方法设计、资金获取。