关于微藻清除环丙沙星-铜共污染物的机制研究：胞外聚合物物质的吸附、胞内降解以及联合毒性作用

《Journal of Hazardous Materials》：Mechanistic insights into microalgal removal of ciprofloxacin–copper co-contaminants: extracellular polymeric substances adsorption, intracellular degradation, and combined toxicity

抗生素与重金属复合污染的水生环境中微藻Chlorella pyrenoidosa的协同去除机制研究。单质污染时CIP通过生物降解（28.79-44.56%）去除，Cu通过吸附（68.13%）去除；共暴露时EPS分泌量增加（28.59-47.07%），但抑制两者去除效率（CIP：24.34-31.82%，Cu：60.79-65.51%），并引发氧化和光合损伤。转录组分析揭示代谢通路紊乱，特别是抗氧化、氮代谢及激素信号通路。EPS在吸附CIP/Cu及调控毒性中起双重作用，为微藻修复抗生素-重金属复合污染提供新见解。

　　抗生素和重金属的复合污染在水环境中对生态和人类健康构成了严重威胁。微藻因其在去除污染物方面的潜力而成为一种重要的生物修复工具，但其在同时去除多种污染物时的机制尚不明确。本研究通过实验探讨了微藻 *Chlorella pyrenoidosa* 在去除环丙沙星（CIP，浓度范围1-10 mg/L）和铜（Cu，浓度范围400 μg/L）及其混合物时的机制，重点分析了胞外多聚物（EPS）的吸附作用、细胞内降解过程以及复合毒性的影响。

实验结果显示，在单独暴露条件下，经过12天的培养，CIP的去除率达到了28.79%至44.56%，而Cu的去除率则达到了68.13%。这些去除过程主要依赖于生物降解和生物吸附两种机制。然而，当CIP和Cu同时存在时，它们的去除效率明显下降，CIP的去除率降至24.34%至31.82%，Cu的去除率则降低至60.79%至65.51%。这种降低可能是由于污染物之间的相互作用，抑制了微藻的正常生理和代谢功能。

值得注意的是，复合暴露条件下，微藻的EPS分泌量显著增加（增加了28.59%至47.07%），这增强了EPS对外部污染物的吸附能力。EPS的增加不仅促进了Cu的细胞外吸附，还推动了Cu的细胞内积累，同时却降低了CIP的细胞内摄取。这种现象表明，EPS在复合污染的相互作用中扮演了双重角色：一方面增强了Cu的吸附和积累，另一方面限制了CIP的摄取。这可能是由于EPS在与CIP结合后，改变了其在水中的形态，从而影响了其与微藻细胞的相互作用。

此外，CIP在代谢过程中经历了结构上的改变，其降解产物可能影响了微藻的代谢路径。实验发现，在复合暴露条件下，一些关键的代谢酶表达水平上调，这可能意味着微藻在应对复合污染时启动了特定的代谢反应。然而，这种复合暴露也导致了更强的氧化应激和光合作用损伤，加剧了微藻的生长抑制现象。这表明，虽然微藻具有一定的抗污染能力，但面对复合污染时，其生理和生化反应可能受到更严重的挑战。

通过转录组分析，研究人员发现复合暴露条件下的微藻在抗氧化防御、氮和氨基酸代谢、碳固定以及激素信号传导等方面出现了更广泛的代谢紊乱。这些紊乱可能与微藻在应对复合污染时所激活的防御机制有关，同时也可能反映了其在维持正常生理功能方面的困难。研究还指出，微藻的生物量减少和细胞内CIP的积累共同削弱了Cu的生物吸附和CIP的生物降解能力，从而进一步降低了污染物的去除效率。

这一研究结果揭示了EPS在复合污染中的双重作用，不仅在污染物吸附中发挥关键作用，还可能在污染物的相互影响中起到调节作用。这种发现为微藻在抗生素和重金属复合污染治理中的应用提供了新的视角，有助于理解微藻在复杂污染环境中的适应机制。此外，研究还强调了复合污染对微藻生理功能的潜在危害，以及其对污染物去除效率的负面影响。

在实际应用中，微藻作为生物修复工具的优势在于其可持续性、低成本和环境友好性。它们不仅可以去除污染物，还能回收营养物质并固定碳。然而，当前的研究主要集中在单一污染物的去除上，忽略了实际水环境中污染物的共存和相互作用。因此，本研究的发现具有重要的现实意义，为微藻在复合污染治理中的应用提供了理论依据和实践指导。

全球范围内，抗生素的使用量在过去几十年中急剧上升，这主要归因于人口增长和畜牧业的快速发展。中国作为全球最大的抗生素消费国，其年消耗量高达162,000吨。环丙沙星作为一种第三代氟喹诺酮类抗生素，因其高效和低成本而在人类和兽医医学中广泛应用。在中国，环丙沙星的年使用量估计为5340吨，其中超过90%用于食品动物。同时，重金属也被广泛添加到动物饲料中，以促进生长和预防疾病。在这些重金属中，铜因其广泛的使用和较高的生态风险而成为最常见的元素之一。

尽管抗生素和重金属在水环境中广泛共存，但大多数传统的污水处理和粪便管理方法在去除这些污染物方面效果有限。因此，它们经常在水体中同时出现，尤其是在畜牧业废水和猪场废水等环境中。研究表明，猪场废水中环丙沙星的最大浓度可达1.2 mg/L，而铜的平均浓度则高达59.4 mg/L。这种高浓度的复合污染不仅可能引发不可预测的联合毒性，还可能加速抗生素抗性基因的传播，从而对生态环境和公众健康构成严重威胁。

因此，开发有效的策略以同时去除抗生素和重金属，特别是氟喹诺酮类抗生素如环丙沙星，是当前环境治理领域的重要课题。微藻作为生物修复的候选者，因其独特的生理结构和代谢能力而备受关注。它们能够通过生物吸附、生物积累和生物降解等多种机制去除污染物。例如，*Chlorella sorokiniana* 和 *Scenedesmus dimorphus* 被报道能够有效去除环丙沙星（浓度范围1-30 mg/L），其去除效率可达38.05%至91.73%，主要依赖于生物降解作用。而其他微藻如 *Chlorella vulgaris* 和 *Desmodesmus* sp. 则表现出较高的铜去除效率，超过60%，主要通过生物吸附机制。

然而，这些研究大多关注单一污染物的去除，缺乏对实际水环境中污染物共存和相互作用的深入探讨。本研究选择环丙沙星和铜作为目标污染物，因为它们在水环境中普遍存在，并且具有较高的生态风险。*Chlorella pyrenoidosa* 被选为研究对象，因其已被证实具有去除多种抗生素和重金属的能力。本研究旨在探讨以下问题：（1）单独和复合暴露条件下，环丙沙星和铜的去除效率及途径；（2）EPS在吸附环丙沙星、铜及其混合物中的作用；（3）环丙沙星的生物降解产物及关键功能酶和基因；（4）环丙沙星和铜的联合毒性在生理、生化和分子层面的表现及其对污染物去除的影响。

在实验过程中，研究人员对CIP和Cu的去除效率及途径进行了详细分析。结果表明，随着暴露时间的延长，CIP和Cu的去除效率均有所提高。然而，在复合暴露条件下，其去除效率受到抑制，这可能与污染物之间的相互作用有关。EPS的分泌量在复合暴露条件下显著增加，这不仅增强了其对污染物的吸附能力，还可能通过改变污染物的形态和分布，影响其与微藻细胞的相互作用。此外，研究还发现，复合暴露条件下，CIP的代谢途径发生了变化，其降解产物可能对微藻的代谢产生一定影响。

在分子层面，转录组分析揭示了复合暴露条件下微藻的代谢紊乱情况。这种紊乱主要体现在抗氧化防御、氮和氨基酸代谢、碳固定以及激素信号传导等方面。这些发现表明，微藻在应对复合污染时，其生理和生化反应可能受到更广泛的干扰，从而影响其对污染物的去除能力。此外，研究还指出，微藻的生物量减少和细胞内CIP的积累可能进一步削弱其对Cu的生物吸附和对CIP的生物降解能力，从而降低整体的污染物去除效率。

这一研究的发现不仅有助于理解微藻在复合污染环境中的适应机制，还为微藻在环境治理中的应用提供了新的思路。例如，通过调控EPS的分泌量和组成，可以优化微藻对污染物的去除能力。此外，研究还强调了在实际水环境中，污染物的共存和相互作用可能对微藻的生理功能产生复杂的影响，因此在设计微藻修复系统时，需要充分考虑这些因素。这些发现对于推动微藻在环境修复中的应用具有重要意义，也为未来的相关研究提供了理论基础和实践指导。