由热带河流沉积物中的Exiguobacterium sp.菌株对环丙沙星的生物降解作用：一种综合研究方法

《Watershed Ecology and the Environment》：Biodegradation of ciprofloxacin by Exiguobacterium sp. from tropical river sediments: an integrated approach

古巴Almendares河流沉积物中Exiguobacterium sp. (T-316)菌株表现出显著的环丙沙星（CIP）生物降解能力，通过整合MIC测定、共代谢条件评估及残留活性分析，发现葡萄糖辅助下CIP降解率达74.36%，且完全消除其抗菌活性，为热带抗生素污染治理提供新策略。

　　### 研究背景与意义

在现代社会，抗生素的广泛使用已成为医疗、农业、畜牧业以及制药工业等领域的常态。然而，这种广泛使用也带来了严重的环境问题，尤其是在水体生态系统中。抗生素在环境中积累，不仅影响生态平衡，还可能通过基因水平转移（HGT）等机制促进抗生素耐药基因（ARGs）的传播，进而导致抗生素耐药性（AR）的加剧。由于抗生素的高持久性和低降解特性，它们在水体、土壤等环境中能够长期存在，并对微生物群落产生选择压力，推动耐药性的进化。尤其是在热带地区，由于其独特的生态环境和高微生物多样性，抗生素污染对当地生物系统的影响尤为显著。

近年来，越来越多的研究开始关注微生物在抗生素降解中的作用。与传统的物理和化学处理方法相比，微生物降解具有成本低、环境友好等优势，被认为是处理抗生素污染的一种可行策略。然而，目前关于热带生态系统中抗生素降解微生物的研究仍然有限，尤其是在抗生素降解能力的评估方面。许多研究虽然已经探讨了微生物降解抗生素的潜力，但往往缺乏系统性的方法来整合抗生素耐药性分析和降解效率评估。因此，建立一个全面且可重复的评估框架，对于识别和利用具有抗生素降解能力的环境微生物，具有重要的科学和实际意义。

本研究以古巴哈瓦那的阿尔门达雷斯河沉积物中分离出的 *Exiguobacterium* sp.（T-316）菌株为对象，探讨其对环丙沙星（CIP）的降解能力。这一研究不仅有助于理解抗生素污染对热带水体的影响，还为开发可持续的抗生素污染处理方案提供了理论支持。此外，本研究填补了在热带生态系统中关于抗生素降解微生物的空白，尤其是在对环境微生物的耐药性和降解能力进行系统评估方面。

### 方法与实验设计

为了全面评估 *Exiguobacterium* sp.（T-316）对环丙沙星的降解能力，研究团队设计了一套整合性的方法体系，包含三个关键步骤：抗生素耐药性评估、降解能力测试以及降解后水体中残留抗生素活性的测定。

首先，在抗生素耐药性评估中，研究采用了经典的 ** Mueller-Hinton agar disk diffusion 方法**，以检测该菌株对多种抗生素的敏感性。通过与标准菌株 *Staphylococcus aureus* ATCC 25923 进行对比，研究人员确定了该菌株对环丙沙星及其他抗生素的耐药性。这一测试为后续的降解实验提供了基础，有助于判断菌株是否能够在含有抗生素的环境中存活并发挥降解作用。

其次，在降解能力测试中，研究人员采用 **HPLC（高效液相色谱）** 技术，以量化环丙沙星的降解程度。实验分为两种条件：一种是添加了共代谢底物（葡萄糖）的培养基，另一种是未添加共代谢底物的培养基。结果显示，在共代谢条件下，该菌株能够降解约74.36%的环丙沙星，而在无共代谢底物的情况下，降解效率仅为23.90%。这一差异表明，共代谢底物的存在对环丙沙星的降解具有显著促进作用。此外，研究人员还检测了降解产物的形成，并通过紫外吸收光谱分析发现，这些产物具有与环丙沙星相似的吸收特性，但显示出更高的疏水性，可能意味着其结构发生了改变。

最后，在残留抗生素活性的测定中，研究人员利用 **抗生素活性测试**，通过检测对 *Staphylococcus aureus* ATCC 25923 的抑制作用，评估降解产物的潜在毒性。结果显示，在共代谢条件下，环丙沙星的残留活性被完全消除，而在无共代谢底物的情况下，残留活性减少了40%。这一发现进一步支持了共代谢对降解过程的重要性，并强调了降解产物对环境的潜在影响。

### 研究结果与分析

研究结果表明，*Exiguobacterium* sp.（T-316）菌株在共代谢条件下对环丙沙星具有显著的降解能力。在72小时的实验周期内，该菌株能够将环丙沙星的浓度降低至初始浓度的25.64%，显示出较高的降解效率。这一结果与之前在其他研究中发现的环丙沙星降解数据相比，具有一定的优势。例如，有研究报道，在特定条件下，某些菌株能够将环丙沙星的降解率提高至28%或82%，但这些研究往往依赖于不同的实验条件和菌株来源。

值得注意的是，该菌株对环丙沙星表现出明显的耐药性，其最小抑制浓度（MIC）为7 μg/mL，表明其能够在含有较高浓度环丙沙星的环境中存活。这一特性使得该菌株在实际应用中更具可行性，因为它能够在抗生素污染的环境中保持活性，从而有效发挥降解作用。然而，耐药性并不意味着该菌株无法降解环丙沙星，相反，这种耐药性可能与其在污染环境中长期适应有关，有助于其在降解过程中维持代谢活性。

此外，研究还发现，共代谢条件下的降解效率显著高于非共代谢条件。这一现象可能与共代谢底物（如葡萄糖）对菌株代谢途径的促进作用有关。共代谢底物能够为菌株提供额外的能量来源，从而增强其对环丙沙星的降解能力。相比之下，无共代谢底物的条件可能限制了菌株的代谢活性，导致降解效率较低。因此，共代谢在抗生素降解过程中扮演了至关重要的角色，其应用可能成为提高降解效率的关键策略。

在降解产物的分析中，研究人员发现，环丙沙星在降解过程中会生成新的代谢产物。这些代谢产物在紫外吸收光谱中表现出与环丙沙星相似的特性，但其疏水性更高，表明其结构可能发生了变化。尽管这些代谢产物的化学性质尚未完全明确，但它们的残留活性明显降低，这可能意味着它们对环境的毒性有所减弱。然而，进一步的研究仍需确定这些代谢产物的具体结构及其对生态系统的潜在影响。

### 讨论与研究意义

本研究的意义在于，它为抗生素污染的微生物处理提供了一个新的视角。*Exiguobacterium* sp.（T-316）菌株不仅表现出对环丙沙星的耐药性，还具备显著的降解能力。这一双重特性使其成为处理抗生素污染的潜在候选菌株。特别是在热带地区，由于其独特的生态系统和高微生物多样性，寻找能够有效降解抗生素的本地微生物尤为重要。

在耐药性方面，该菌株的高耐药性可能与其长期暴露于抗生素污染的环境有关。这种耐药性不仅有助于其在污染环境中生存，还可能为其降解抗生素提供代谢上的支持。例如，某些耐药菌株可能通过进化获得了能够降解抗生素的酶系统，从而在污染环境中形成竞争优势。然而，耐药性也可能带来一定的风险，特别是在处理过程中，如果这些菌株被释放到环境中，可能会加剧抗生素耐药性的传播。因此，在实际应用中，需要对菌株的使用进行严格管理，确保其不会对生态系统造成负面影响。

在降解能力方面，该菌株的表现优于许多其他研究中的菌株。例如，某些研究显示，某些菌株在共代谢条件下仅能将环丙沙星的降解率提高至28%或82%，而本研究中的 *Exiguobacterium* sp.（T-316）菌株在共代谢条件下实现了74.36%的降解率，显示出较高的效率。这一结果不仅为抗生素污染的生物处理提供了新的思路，还为开发高效的降解技术提供了理论依据。

此外，研究还强调了共代谢在抗生素降解中的重要性。共代谢条件下的降解效率显著高于非共代谢条件，这表明在实际应用中，添加适当的共代谢底物可能成为提高降解效率的关键策略。例如，在废水处理系统中，可以考虑添加葡萄糖或其他有机底物，以促进微生物的代谢活性，从而提高抗生素的降解率。这一发现对于优化生物处理工艺具有重要意义，尤其是在处理高浓度抗生素废水时。

### 结论与展望

本研究首次系统地评估了古巴环境中 *Exiguobacterium* sp.（T-316）菌株对环丙沙星的降解能力，并提出了一个整合性的研究框架。这一框架不仅涵盖了抗生素耐药性评估、降解能力测试，还包括对降解产物的毒性分析，为抗生素污染的微生物处理提供了全面的指导。通过这一研究，研究人员不仅验证了该菌株的降解潜力，还揭示了共代谢在降解过程中的关键作用。

未来的研究方向应包括对降解产物的进一步分析，以明确其化学结构和潜在毒性。此外，还需要探索不同环境因素（如pH值、温度、碳源浓度等）对降解效率的影响，以优化降解条件。同时，研究团队建议在实际应用中，应结合物理和化学处理方法，以提高抗生素污染的处理效果。例如，在生物处理过程中，可以结合活性炭吸附或光催化氧化等技术，以确保抗生素的彻底去除。

总的来说，本研究为抗生素污染的微生物处理提供了重要的科学依据，并为开发可持续的废水处理方案奠定了基础。通过深入研究微生物的降解能力及其影响因素，可以进一步推动抗生素污染治理技术的发展，为环境保护和公共卫生提供新的解决方案。