PFAS暴露对移动床生物膜反应器（MBBR）的短期影响：性能评估及抗生素抗性基因（ARGs）的命运

《Journal of Water Process Engineering》：The short-term impact of PFAS exposure on a moving bed biofilm reactor (MBBR): Performance evaluation and the fate of antibiotic resistance genes (ARGs)

PFAS和抗生素对MBBR系统性能及ARGs的影响研究，发现环境中浓度PFAS（10-1000μg/L）和抗生素（100μg/L）不影响COD（76-79%）和NH4-N（94%）去除效率，但显著增加tetA、ermB和qnrS基因丰度1.6-25.6倍，同时PFAS处理中EPS和ROS分别提升27%和14-82%。微生物群落以变形菌门为主，但PFAS和抗生素改变了优势菌属及多样性。

　　在当今的环境科学和公共卫生领域，抗生素耐药基因（ARGs）和全氟及多氟烷基物质（PFAS）已成为重要的研究对象。这两种污染物在废水系统和水生环境中广泛存在，对生态系统和人类健康构成潜在威胁。ARGs 是指在细菌中编码抗生素抗性的基因，它们的传播可能导致耐药性细菌在环境中扩散，从而加剧抗生素耐药性（AMR）问题。而 PFAS 是一类具有持久性、生物累积性和易迁移性的有机化合物，因其在工业、消费品和医疗领域的广泛应用而成为全球性污染问题。尽管这些化合物在环境中普遍存在，但关于它们对 ARGs 在废水系统中命运和丰度的影响，目前的研究仍显不足。

本研究聚焦于探讨 PFAS（如 PFOA 和 PFOS）以及抗生素（如四环素和氨苄西林）对 MBBR（移动床生物膜反应器）系统中 ARGs 的影响。MBBR 是一种结合了悬浮生长和附着生长过程的生物处理技术，因其处理效率高、占地面积小和运行成本低而被广泛应用于污水处理厂。在实验中，研究者对 PFAS 和抗生素在不同浓度下的影响进行了系统分析，并评估了其对 MBBR 性能和 ARGs 丰度的影响。

实验结果显示，在 PFAS 浓度达到 1000 μg/L 和抗生素浓度为 100 μg/L 的情况下，MBBR 系统仍然能够保持较高的处理效率。具体而言，所有研究的 MBBR 系统在去除化学需氧量（COD）和氨氮（NH?-N）方面，平均去除率分别达到了 76–79% 和 94%。这表明 PFAS 和抗生素在这些浓度范围内并未显著影响 MBBR 的基本处理功能。然而，这些化合物对 ARGs 的丰度产生了明显影响。在 PFAS 和抗生素的共同作用下，某些 ARGs（如 tetA、ermB 和 qnrS）的丰度显著增加，分别达到对照组的 1.8–25.6 倍、2.6–175.1 倍和 1.6–4.2 倍。这一现象可能与 PFAS 对微生物群落的刺激作用有关，导致微生物在应激条件下更倾向于表达和传播抗生素耐药基因。

此外，PFAS 的存在还显著影响了生物膜系统中胞外聚合物（EPS）和活性氧（ROS）的生成。实验数据显示，PFAS 处理的生物膜反应器中 EPS 的生成量增加了 27%，而 ROS 的生成量则在 14–82% 的范围内波动。这表明 PFAS 可能通过改变微生物的代谢活动，进而影响生物膜的结构和功能。EPS 是微生物在生物膜中分泌的重要物质，其生成量的变化可能影响生物膜的稳定性以及污染物的吸附和降解能力。而 ROS 是细胞内产生的活性物质，其增加可能对微生物的生理状态产生负面影响，甚至导致细胞损伤或死亡。

在微生物群落的分析方面，研究发现 PFAS 和抗生素的暴露对微生物的多样性产生了影响。尽管微生物的总体多样性未发生显著变化，但微生物的丰富度和组成结构发生了改变。例如，在所有反应器中，变形菌门（Proteobacteria）仍然是主导的门类，但在属级层面，某些脱氮菌（如 Dechloromonas 和 Dokdonella）在 PFAS 和抗生素的刺激下表现出更强的生存能力，并成为反应器中主要的微生物群落。这表明，某些特定的微生物可能在应激条件下具有更强的适应性，从而在系统中占据主导地位。

PFAS 和抗生素的联合影响也引起了研究者的关注。虽然单独的 PFAS 或抗生素对 MBBR 的处理效率影响较小，但它们的共同作用可能对微生物群落和 ARGs 的动态产生更复杂的影响。这种影响可能与微生物在应激条件下的适应机制有关，例如通过增强 EPS 的生成或激活抗氧化系统来应对环境压力。同时，微生物在应激条件下的代谢活动可能发生变化，从而影响 ARGs 的表达和传播。

在研究方法上，实验采用了半批量实验设计，以评估 PFAS 和抗生素在不同浓度下的影响。实验过程中，研究者对 MBBR 系统的性能进行了详细监测，包括 COD 和 NH?-N 的去除率，以及 ARGs 的丰度变化。此外，研究还分析了微生物群落的组成和多样性，以评估 PFAS 和抗生素对系统中微生物生态的影响。这些数据为理解 PFAS 和抗生素在环境中的行为提供了重要依据。

本研究的发现对于污水处理厂的设计和运行具有重要的指导意义。首先，它表明 MBBR 系统在处理 PFAS 和抗生素方面具有一定的能力，但这些污染物对微生物群落和 ARGs 的影响不容忽视。因此，在污水处理过程中，需要更加关注 PFAS 和抗生素的去除和控制，以减少其对 ARGs 的潜在促进作用。其次，研究结果表明，PFAS 和抗生素可能通过改变微生物的代谢活动和抗氧化系统，进而影响生物膜的结构和功能。这提示我们，在设计和优化生物膜系统时，需要考虑这些污染物对微生物生理状态的潜在影响。

此外，本研究还揭示了 PFAS 和抗生素对 ARGs 的动态影响。在 PFAS 和抗生素的共同作用下，某些 ARGs 的丰度显著增加，这可能与微生物在应激条件下的适应性有关。这种适应性可能包括通过激活防御机制来增加 ARGs 的表达，或者通过改变微生物的代谢途径来促进 ARGs 的传播。因此，在污水处理过程中，需要采取措施来减少 PFAS 和抗生素的暴露，以降低 ARGs 的传播风险。

研究还强调了 PFAS 和抗生素在环境中的复杂相互作用。虽然单独的 PFAS 或抗生素对 MBBR 的处理效率影响较小，但它们的共同作用可能对微生物群落和 ARGs 的动态产生更深远的影响。这种影响可能与微生物在应激条件下的适应机制有关，例如通过增强 EPS 的生成或激活抗氧化系统来应对环境压力。同时，微生物在应激条件下的代谢活动可能发生变化，从而影响 ARGs 的表达和传播。

本研究的发现不仅有助于理解 PFAS 和抗生素在环境中的行为，还为未来的研究提供了方向。首先，需要进一步研究 PFAS 和抗生素对微生物群落的长期影响，以评估其对环境和生态系统的影响。其次，研究者应关注 PFAS 和抗生素在不同浓度下的作用机制，以确定最佳的处理策略。此外，还需要探索 PFAS 和抗生素在不同处理工艺中的相互作用，以优化污水处理厂的设计和运行。

在公共卫生领域，本研究的发现具有重要的意义。由于 AMR 是全球性公共卫生问题，研究 PFAS 和抗生素对 ARGs 的影响有助于理解这些污染物在环境中的传播路径，并为制定有效的防控措施提供科学依据。此外，研究结果表明，PFAS 和抗生素可能通过改变微生物的代谢活动和抗氧化系统，进而影响 ARGs 的表达和传播。因此，在公共卫生政策中，需要将 PFAS 和抗生素的环境影响纳入考虑范围，以减少其对 AMR 的潜在促进作用。

综上所述，本研究为理解 PFAS 和抗生素在 MBBR 系统中的影响提供了新的视角。研究结果表明，虽然 PFAS 和抗生素在这些浓度范围内并未显著影响 MBBR 的处理效率，但它们对微生物群落和 ARGs 的丰度产生了明显影响。因此，在污水处理过程中，需要采取综合措施，以减少这些污染物对 ARGs 的潜在促进作用，并确保污水处理系统的安全性和有效性。同时，本研究也为未来的研究提供了方向，包括对 PFAS 和抗生素在不同浓度下的作用机制进行深入探讨，以及对它们在不同处理工艺中的相互作用进行进一步研究。这些研究将有助于推动环境科学和公共卫生领域的进步，为全球性问题的解决提供科学支持。