磺胺二甲嘧啶胁迫下单级部分亚硝化/厌氧氨氧化工艺中N2O减排的转录组学机制解析

为解决抗生素胁迫下部分亚硝化/厌氧氨氧化（PN/A）工艺中N2O排放的调控难题，研究人员通过长期暴露实验结合转录组分析，发现0.5 mg/L磺胺二甲嘧啶（SMZ）可使N2O排放因子降低24%，并揭示其通过抑制羟胺氧化（hao）和反硝化（norBC）基因、促进N2O还原（nosZ）的分子机制，为废水处理中温室气体减排提供新策略。

　　

在追求碳中和的背景下，废水处理领域的温室气体排放问题日益凸显。部分亚硝化/厌氧氨氧化（PN/A）工艺虽以高效脱氮著称，但其过程中产生的强效温室气体N₂O（全球增温潜势为CO₂的310倍）成为制约其推广的关键瓶颈。更棘手的是，养猪废水等典型高氨氮废水中普遍残留的抗生素可能进一步干扰N₂O生成路径，但相关机制始终未明。

针对这一科学难题，华南理工大学的研究团队在《Bioresource Technology》发表了一项突破性研究。他们聚焦常用磺胺类抗生素磺胺二甲嘧啶（SMZ），通过构建平行运行的升流式单级PN/A反应器（工作体积3.53 L），设置0 mg/L（对照组）和0.5 mg/L SMZ暴露组进行120天长期实验。研究整合了宏基因组、宏转录组和气体监测技术，首次系统解析了SMZ胁迫下N₂

关键实验方法
研究采用两个装载成熟厌氧氨氧化生物膜的圆柱形反应器，通过逐步提升氮负荷率（NLR）至0.88 kg N/m³/d优化运行参数。采用气相色谱监测N₂O排放，结合Illumina高通量测序分析微生物群落结构，并通过RNA-Seq技术定量氮代谢功能基因（如hao、norBC、nosZ）的转录水平。

氮去除性能与N₂O排放特征
在0.5 mg/L SMZ长期暴露下，反应器总氮去除率（TNRR）稳定维持在80%以上（p>0.05），但N₂O排放因子显著降低24%。这表明SMZ在维持脱氮效能的同时，意外展现出温室气体减排效应。

微生物群落与功能基因调控
宏基因组分析显示SMZ虽改变群落结构，但氮循环功能菌仍保持生态位优势。转录组数据揭示关键机制：SMZ使羟胺氧化酶基因hao表达下调80.28%，反硝化基因norBC下调79.73%，而N₂O还原酶基因nosZ上调7.97%。这三重作用分别抑制了NH₂OH氧化路径的N₂O生成、阻断反硝化中间产物积累，同时强化N₂O向N₂的转化。

结论与意义
该研究首次证实低浓度SMZ可通过转录重编程实现PN/A工艺的N₂O减排，突破传统认知中抗生素必然加剧温室气体排放的范式。发现的功能基因调控靶点（如nosZ上调）为开发基于基因编辑的低碳废水处理技术提供新思路。研究团队Chenxi Zeng等人强调，这一发现对评估抗生素污染环境的温室气体收支具有双重意义：既警示抗生素对氮循环的深远影响，又为废水处理厂协同实现脱氮与减排提供理论支撑。