在SMX（磺胺甲基异噁唑）压力作用下的连续流式AGS-MBR（活性污泥-膜生物反应器）系统的性能、代谢过程及抗性研究：宏观不稳定现象的微观机制

《Water Research》：Performance, metabolism, and resistance of an SMX-stressed continuous-flow AGS-MBR system: Microscopic mechanism of macroscopic instability phenomena

本研究通过连续运行AGS-MBR系统，探究不同浓度磺胺甲噁唑对颗粒污泥结构及处理效能的影响。结果表明，低浓度（≤1 mg/L）下微生物通过糖原和聚磷酸盐代谢补偿能量，维持高效脱氮除磷；高浓度（5 mg/L）则导致EPS降解、颗粒解体及处理效能下降，并引发抗生素抗性基因的横向转移。揭示了抗生素剂量对宏微观系统的级联效应，为废水处理中的抗生素风险控制提供理论依据。

　　本研究通过长期实验，探讨了磺胺甲恶唑（SMX）对厌氧颗粒污泥膜生物反应器（AGS-MBR）系统性能和微生物机制的影响。实验持续140天，设置了从0到5 mg·L?1的SMX浓度梯度，并在不同阶段观察了系统在宏观和微观层面的变化。研究发现，当SMX浓度处于0.2至1 mg·L?1之间时，系统表现出较强的抗逆性，氮（TN）和磷（TP）的去除率分别稳定在90%和72.8%，颗粒污泥的平均粒径保持在282微米。然而，当SMX浓度升高至5 mg·L?1时，系统开始出现明显的性能下降，包括EPS（胞外聚合物）含量减少45%，粒径缩小38%，颗粒污泥结构解体，氮磷去除效率分别降至70%和44.8%。与此同时，微生物群落向以丝状菌为主导的状态转变，其中Thiothrix的相对丰度超过25%。这些变化表明，SMX的浓度对AGS-MBR系统的稳定性具有显著影响，并且在长期暴露下可能引发一系列生态风险。

SMX作为一种典型的磺胺类抗生素，因其水溶性较低，但在稀酸或稀碱溶液中易于溶解，表现出一定的环境持久性。因此，它在地表水和废水处理厂的出水中常被检测到，浓度范围从微克每升到毫克每升不等。SMX的环境残留不仅会抑制水生生物的光合作用和微生物代谢，还可能通过诱导抗生素抗性基因（ARGs）如sul1和sul2的水平转移，加剧抗微生物耐药性的全球传播风险。对于废水处理厂而言，SMX及其转化产物不仅会影响处理系统中功能微生物的正常代谢活动，破坏微生物群落的稳定性，降低污染物去除效率，还可能促进污泥中ARGs的富集，进而对污泥处理和处置带来潜在的生态风险。

相比之下，传统的活性污泥（CAS）工艺对低浓度SMX的去除率不足40%，并且容易导致污泥膨胀和ARGs的积累。尽管AGS因其致密的结构、多样化的微生物群落和内在的耐受性被认为是一种比CAS更具前景的替代方案，但大多数实验室研究是在序批式反应器（SBRs）中进行的。SBRs中短暂的营养过剩与匮乏周期会导致胞外聚合物（EPS）的快速分泌，从而掩盖了SMX对颗粒结构的慢性损害。而在实际废水处理中，连续流系统是主流配置，这种系统会在AGS中产生持久的底物和溶解氧（DO）梯度，可能随着时间推移放大SMX对微生物的抑制作用。因此，连续流AGS系统在SMX压力下的宏观不稳定性背后的微观机制仍然不明确，这突显了系统性研究的必要性，以填补这一研究空白。

本研究通过在连续流AGS-MBR系统中进行140天的连续实验，设置了五个SMX浓度梯度（0、0.2、0.5、1.0和5.0 mg·L?1），旨在系统地探讨四个维度的核心问题：“宏观性能-微观微生物群落-功能基因-生态风险”。具体包括：（1）SMX浓度梯度如何动态影响颗粒结构的稳定性以及氮磷的去除性能；（2）SMX在AGS-MBR系统中的具体生物转化路径及其中间产物的毒性增强效应；（3）在SMX压力下，微生物群落结构与功能特征之间是否存在协同或拮抗机制；（4）ARGs、VFGs（病毒基因）和MGEs（移动遗传元件）的潜在宿主及其与污泥性能的整体关联。通过这一研究，首次揭示了SMX对AGS功能和微生物相互作用的长期机制，为优化AGS-MBR系统并管理抗生素污染废水的生态风险提供了理论基础。

实验过程中，研究团队采用了一种连续流动的AGS-MBR系统，并将其分为五个28天的阶段，分别对应不同的SMX浓度。种子污泥来源于之前报道的AGS-MBR系统，该系统维持着2.4 L·h?1的水流量和50 L/min的曝气速率。进水通过蠕动泵（BT101LY，荣百，中国）输送，废水则在反应器中进行处理。实验过程中，研究团队通过比较不同阶段的出水水质和污泥性能参数，揭示了AGS在连续流膜生物反应器中对SMX的动态响应模式。详细结果在图1和图S1（SM）中展示。图1a显示，在第一阶段，氮的去除效率稳定在约85%，但在第二阶段，当SMX浓度为200 μg·L?1时，去除效率意外地增加至超过90%。这一现象可能与同时发生的某些生物过程有关，例如微生物群落的适应性变化或代谢途径的调整。

在更深层次的分析中，宏基因组学研究揭示了在0.2至1 mg·L?1的SMX浓度下，甘露糖代谢基因glk和聚磷酸盐代谢基因ppk的显著上调。这些基因参与了能量补偿路径，为TB-EPS（胞外聚合物）的合成提供了ATP和前体物质，并加强了颗粒结构的支撑作用。然而，当SMX浓度升至5 mg·L?1时，这种补偿机制崩溃，导致EPS含量下降45%，粒径缩小38%，颗粒结构解体，氮磷去除效率分别降至70%和44.8%。与此同时，微生物群落向以丝状菌为主导的状态转变，其中Thiothrix的相对丰度超过25%。这种转变表明，SMX的浓度可能成为驱动微生物群落结构变化的关键因素。

此外，研究还发现，在SMX压力下，非致病菌Rubrivivax成为抗生素抗性基因（如sul1和sul2）和多种转座酶的共同宿主。移动遗传元件在促进抗性基因和毒力基因的共转移方面发挥了重要作用，同时削弱了功能冗余性。液相色谱-质谱（LC-MS）分析进一步表明，SMX的主要转化产物P4和P6表现出比母体化合物高出2.3倍的慢性毒性，并对已经受损的颗粒微生物群落施加了额外的化学压力。这些转化产物的毒性增强效应可能与它们在水环境中的积累和生物可利用性有关。

综上所述，SMX的剂量决定了一个连锁反应，其中代谢补偿机制被打破，随后丝状菌宿主被选择，这些宿主更容易发生基因的移动，最终导致化学毒性，逐步破坏颗粒结构、营养去除服务和生态安全。这些结果揭示了SMX压力下从宏观不稳定性到微观机制的剂量依赖性连锁反应，并为抗生素污染废水的生态风险防控提供了新的视角。通过深入理解SMX对AGS-MBR系统的影响机制，可以为优化废水处理工艺、提高微生物处理效率以及减少抗生素残留带来的生态风险提供科学依据。

本研究的发现对于实际的废水处理工程具有重要意义。首先，它表明在较低浓度下，SMX对AGS-MBR系统的影响可能是可逆的，系统能够通过代谢补偿机制维持较高的氮磷去除效率。然而，当SMX浓度超过一定阈值时，这种补偿机制失效，系统开始出现结构和功能上的不稳定。因此，在设计和运行AGS-MBR系统时，需要考虑SMX浓度的控制，以避免其对系统性能的负面影响。其次，研究揭示了SMX对微生物群落结构的深远影响，尤其是在高浓度条件下，微生物群落可能向以丝状菌为主导的状态转变，这可能导致污泥的膨胀和处理效率的下降。因此，在实际操作中，需要密切监测微生物群落的变化，及时调整运行参数，以维持系统的稳定性和处理能力。

此外，研究还发现SMX的转化产物具有较高的毒性，这可能对环境和生态系统造成更大的威胁。因此，在处理抗生素污染废水时，不仅要关注SMX本身的去除，还需要考虑其转化产物的毒性效应。这可能意味着在废水处理过程中，需要引入更多的高级处理技术，如活性炭吸附、高级氧化工艺等，以进一步降低抗生素及其转化产物的浓度和毒性。同时，研究还指出移动遗传元件在抗生素抗性基因和毒力基因的共转移中发挥了重要作用，这可能加剧抗生素耐药性的传播。因此，在处理抗生素污染废水时，需要采取措施减少移动遗传元件的传播，以降低生态风险。

从生态角度来看，本研究的发现表明，SMX的浓度不仅影响微生物的代谢活动，还可能改变微生物群落的结构和功能。这种变化可能对水环境和生态系统产生深远的影响，包括对微生物群落多样性的破坏、对营养物质循环的干扰以及对生态安全的威胁。因此，在处理抗生素污染废水时，需要综合考虑这些生态因素，采取多方面的措施，以最大限度地减少对环境和生态系统的负面影响。同时，研究还强调了在实际废水处理过程中，连续流系统与SBRs之间的差异，这可能意味着在不同的系统配置下，SMX的影响机制和程度可能会有所不同。

本研究的实验设计和结果分析为未来的废水处理研究提供了重要的参考。首先，它展示了长期暴露于SMX压力下，AGS-MBR系统的动态变化过程，这对于理解抗生素对微生物群落的长期影响具有重要意义。其次，它揭示了SMX在AGS-MBR系统中的生物转化路径及其中间产物的毒性效应，这有助于开发更有效的抗生素去除技术。此外，研究还探讨了微生物群落结构与功能特征之间的相互作用，这对于优化废水处理工艺、提高处理效率具有重要的指导意义。最后，研究强调了移动遗传元件在抗生素抗性基因传播中的作用，这为抗生素耐药性的防控提供了新的思路。

在实际应用中，本研究的发现可以为废水处理厂的设计和运行提供科学依据。例如，在选择处理工艺时，可以考虑使用AGS-MBR系统，以提高氮磷去除效率并减少污泥膨胀的风险。同时，在处理抗生素污染废水时，可以结合生物处理和物理化学处理技术，以进一步降低抗生素及其转化产物的浓度和毒性。此外，研究还指出需要加强微生物群落的监测和管理，以及时发现和应对可能的生态风险。这可能意味着在废水处理过程中，需要引入更多的生物监测技术，如宏基因组学、代谢组学等，以全面评估微生物群落的变化。

在生态风险防控方面，本研究的发现表明，SMX的浓度是影响微生物群落结构和功能的关键因素。因此，在处理抗生素污染废水时，需要严格控制SMX的浓度，以避免其对水环境和生态系统造成不可逆的损害。同时，还需要关注SMX的转化产物及其毒性效应，采取相应的措施，如加强预处理和后处理，以减少这些转化产物对环境的影响。此外，研究还指出移动遗传元件在抗生素抗性基因传播中的作用，这可能意味着在处理抗生素污染废水时，需要采取措施减少移动遗传元件的传播，以降低抗生素耐药性的扩散风险。

综上所述，本研究通过长期实验，揭示了SMX对AGS-MBR系统的影响机制，为优化废水处理工艺和管理抗生素污染废水的生态风险提供了重要的科学依据。研究结果不仅有助于理解抗生素对微生物群落的长期影响，还为开发更有效的抗生素去除技术提供了新的思路。同时，研究还强调了在实际废水处理过程中，连续流系统与SBRs之间的差异，这对于未来的研究和工程实践具有重要的指导意义。通过深入探讨SMX的浓度梯度及其对系统性能和微生物机制的影响，可以为抗生素污染废水的处理和管理提供更加全面和系统的解决方案。