微藻-细菌生物膜在磺胺甲恶唑胁迫下的耐盐性机制及其对海水养殖废水处理的生态调控作用

为解决海水养殖废水中抗生素污染对传统生物处理工艺的挑战，研究人员开展了微藻-细菌共生移动床生物膜反应器(MBS-MBBR)在磺胺甲恶唑(SMX)胁迫下的抗逆性研究。研究发现0.1-1 mg/L SMX时系统保持稳定脱氮效率(>99%)，5 mg/L SMX导致氨氮去除率降至62.3%。研究揭示了微生物通过增强胞外聚合物(EPS)合成和抗氧化活性等生理响应机制，为工程化海水养殖废水处理提供了理论支持。

　　

随着海水养殖业的快速发展，含有高盐度和抗生素的养殖废水已成为威胁近海生态系统的重要污染源。这类废水不仅导致水体富营养化，更因其特有的"三高"特性——高盐度、高氮含量和高抗生素残留，给传统生物处理工艺带来严峻挑战。其中，磺胺甲恶唑(SMX)作为最常检出的抗生素之一，已被确认为中国河口区域水生生态系统的主要风险源。面对这一环境难题，广西科学院的研究人员将目光投向了具有协同净化能力的微藻-细菌共生系统(MBS)。

传统污水处理面临碳减排和能耗高的双重压力，而MBS技术恰好展现出独特优势：微藻利用异养细菌释放的CO₂进行光合作用，既能降低系统碳排放，又能减少曝气能耗。特别是移动床生物膜反应器(MBBR)与MBS结合的MBS-MBBR系统，已在前期研究中显示出良好的耐盐性和脱氮能力。然而，当这种系统遭遇抗生素胁迫时，其稳定性和微生物响应机制仍是未解之谜。这正是本研究要攻克的关键科学问题。

研究人员采用多组学联用技术，通过16S rRNA基因测序分析微生物群落结构，结合代谢组学检测关键酶活性变化，系统考察了不同浓度SMX(0-5 mg/L)胁迫下MBS-MBBR系统的响应机制。实验采用海洋微藻Chlorella sp.(MASCC-0008)与市政污水处理厂活性污泥构建共生系统，模拟处理含盐量3%、COD 200 mg/L、氨氮30 mg/L的合成废水。

氮去除性能与SMX剂量效应
研究显示系统对低浓度SMX(≤1 mg/L)表现出显著耐受性，氨氮去除率维持在99%以上。但当SMX升至5 mg/L时，氨氮去除率骤降至62.3%，总氮(TN)去除效率也从80.0±1.7%下降至63.6±8.5%。这种剂量效应提示SMX主要抑制了硝化过程而非反硝化过程。

微生物生理响应机制
面对SMX胁迫，微生物展现出精妙的适应策略：一方面通过显著提高胞外聚合物(EPS)分泌量(增加35-60%)构建物理屏障；另一方面激活超氧化物歧化酶(SOD)和过氧化氢酶(CAT)等抗氧化酶系统，细胞内抗氧化活性提升2-3倍。这种"外御内抗"的双重防线成为系统维持稳定的关键。

群落结构与功能基因变化
高通量测序揭示SMX引发微生物群落显著重构：0.1-1 mg/L SMX促进反硝化菌Denitromonas富集(相对丰度增加15-20%)，而5 mg/L SMX则显著抑制硝化菌Nitrosomonas和Nitrospira(降低50-70%)。功能基因预测显示氨单加氧酶(AMO)基因表达受抑制，而硝酸盐还原酶(NAR)基因保持活跃，解释了硝化过程更易受SMX影响的分子机制。

微藻-细菌生态互作网络
引人注目的是，SMX胁迫反而强化了微藻与细菌间的正相互作用。共现网络分析显示低浓度SMX使微生物互作关联度提高30%，形成更紧密的协作网络。这种"压力诱导的团结"现象为理解生物膜系统的抗逆性提供了新视角。

该研究首次系统阐明了MBS-MBBR系统在盐度和抗生素双重胁迫下的响应规律，揭示了微生物通过生理调节和生态协作实现系统稳定的内在机制。这些发现不仅为优化海水养殖废水处理工艺提供了理论依据，也为开发新型抗逆生物处理系统指明了方向。特别是微生物在逆境中表现出的EPS强化分泌和群落重组策略，为环境污染生物修复提供了可借鉴的调控靶点。随着抗生素污染问题的日益严峻，这项研究成果对保障水环境安全和促进水产养殖业可持续发展具有重要实践价值。