玉米秸秆生物炭@MIL-88A(Fe)介导的诺氟沙星胁迫下剩余污泥厌氧消化能量回收机制：代谢途径与抗性基因演化规律

针对诺氟沙星(NOR)抑制污泥厌氧消化(AD)效能的问题，研究人员创新性地将玉米秸秆生物炭与MIL-88A(Fe)复合制备BM材料，系统探究了1 mg/L NOR胁迫下BM/AD体系的代谢响应与抗性基因(ARGs)演化。研究发现BM虽提升NOR降解率至88.79%，但使甲烷产量降低41.86%，揭示了抗生素通过抑制氢营养型产甲烷菌（丰度降低13.20%）和关键酶活性影响能量回收的机制，为优化含抗生素污泥处理工艺提供了理论支撑。

　　

随着污水处理厂剩余污泥(WAS)产量激增，如何实现其资源化利用成为环境领域重大挑战。更棘手的是，广泛使用的诺氟沙星(NOR)等抗生素会在污泥中富集（浓度达0.3-3 mg/L），不仅抑制甲烷产量，更可能通过抗性基因(ARGs)扩散威胁生态安全。传统厌氧消化(AD)技术面临有机物水解效率低、微生物互营代谢受阻等瓶颈，而现有金属有机框架(MOF)增强材料又存在成本过高的问题。

针对这些难题，西安某高校研究团队在《Journal of Environmental Sciences》发表创新成果，将廉价铁基MOF（MIL-88A(Fe)）与玉米秸秆生物炭复合，开发出新型BM材料，系统研究了其在NOR胁迫下对AD过程的调控机制。研究采用批次实验结合宏基因组分析，通过监测甲烷产量、挥发性脂肪酸(VFAs)积累、关键酶活性及ARGs丰度变化等指标，揭示了BM/AD体系对抗生素胁迫的响应规律。

主要技术方法包括：1）制备并表征BM复合材料；2）建立含1 mg/L NOR的AD批次实验体系；3）采用气相色谱监测甲烷产量；4）高通量测序分析微生物群落结构；5）qPCR定量12类ARGs；6）测定细胞色素P450(CYP450)等关键酶活性。

研究结果：
【The effect of NOR on BM/AD system】发现NOR使BM介导的AD系统甲烷累计产量降低41.86%，最大产甲烷速率下降25.43%。NOR导致VFAs积累增加79.98%，尤其抑制了丙酸向乙酸的转化。

【Microbial community analysis】高通量测序显示NOR胁迫下氢营养型产甲烷菌相对丰度降低13.20%，而NOR降解菌如Acinetobacter显著富集。KEGG分析表明NOR抑制了辅酶F₄₂₀依赖的产甲烷途径相关基因表达。

【ARGs variation and removal】检测到12类ARGs总丰度增加，其中多重耐药基因占比最高（38.7%）。NOR通过促进垂直基因转移(VGT)但抑制水平基因转移(HGT)影响ARGs传播，Acinetobacter被鉴定为ARGs主要宿主菌。

【NOR biodegradation mechanism】BM的添加使NOR降解率达88.79%，CYP450和乙酸激酶活性分别提升2.3倍和1.8倍，表明生物降解是NOR去除主要途径。ROS水平升高提示氧化应激参与抗生素解毒过程。

结论与意义：该研究首次阐明铁基MOF复合生物炭在含抗生素污泥AD中的双重作用——虽提升NOR降解效率，但加剧甲烷抑制效应。创新性发现NOR通过改变微生物群落结构、抑制关键代谢酶活性和改变ARGs传播途径影响系统性能，为开发针对性的污泥处理工艺提供了重要理论依据。提出的BM材料以廉价铁元素(0.1 USD/kg)替代传统锆基MOF(28 USD/kg)，具有显著成本优势，对实现"双碳"目标下的污泥资源化具有重要实践价值。