微藻接种提升城市污水营养物去除效率并降低抗生素抗性基因丰度的微生物组机制研究

本研究针对城市污水处理中营养物去除不彻底和抗生素抗性基因（ARGs）扩散的难题，通过构建微藻-细菌共生系统（Tetradesmus obliquus和Chlorella sorokiniana），证实微藻接种可显著提升磷酸盐（>90%）、硝酸盐（>80%）和氨氮（>90%）去除率，同时使ARGs丰度降低40%以上。宏基因组分析揭示了微生物群落结构与功能基因的协同进化机制，为可持续污水处理提供了创新解决方案。

　　

随着城市化进程加速，城市污水处理面临双重挑战：传统活性污泥法对氮磷等营养物去除效率有限，更棘手的是，污水中潜伏的抗生素抗性基因（ARGs）可能通过水平转移扩散至病原菌，加剧全球公共卫生危机。现有处理技术往往顾此失彼——化学强化除磷可能引发二次污染，紫外线消毒对ARGs的清除效果却不尽如人意。在这种背景下，兼具环境友好与资源回收潜力的微藻技术崭露头角，但微藻如何重塑污水微生物组、又如何影响ARGs传播，仍是未解之谜。

来自南非德班理工大学（Durban University of Technology）的研究团队在《Algal Research》发表的研究中，创新性地采用两种本土微藻（Tetradesmus obliquus和Chlorella sorokiniana）及其混合培养体系处理原生污水，结合生理指标监测、宏基因组测序和抗性组分析，系统解析了微藻驱动的微生物组功能重塑机制。研究通过Illumina NextSeq测序平台获取636百万条高质量序列，采用SqueezeMeta流程进行共组装分析，并运用DeepARG数据库鉴定ARGs亚型。

3.1 藻类生理与生物量生产
通过光合效率（F_v/F_m）监测发现，微藻在污水中4天内完成生理适应，最大量子产率达0.63。混合培养组生物量达1.36 g L^-1，显著高于对照组，呈现"超产效应"。

3.2 生化组成
污水培养组脂质（35%）和碳水化合物（29%）含量显著高于标准培养基，而蛋白质含量（23%）较低，表明营养胁迫触发能量储存物质积累。

3.3 细菌群落动态变化
微藻接种使Shannon指数提升27%，Proteobacteria（54.4%）成为优势菌门。功能注释显示处理组好氧氨氧化（p=0.004）和纤维素降解（p<0.0001）基因显著富集。

3.6 功能基因注释
氮代谢通路中亚硝酸还原酶（EC 1.7.2.1）和羟胺脱氢酶（EC 1.7.2.6）基因上调2倍；磷代谢相关磷酸烯醇式丙酮酸变位酶（EC 5.4.2.9）活性增强，印证了观测到的高效除磷现象。

3.7 抗生素抗性基因去除
微藻处理使ARGs总丰度从46%降至25.7%，其中多药耐药基因降幅最大。Procrustes分析证实功能基因变化与ARGs减少显著相关（M²=0.94）。

这项研究首次从微生物组功能重塑角度，阐明了微藻通过"营养竞争-氧环境调控-维生素交换"三位一体机制抑制ARGs传播。其中，微藻诱导的好氧环境抑制了厌氧菌（如硝酸盐还原菌）增殖，而这些菌群正是ARGs的主要宿主。更令人振奋的是，处理后的藻生物质富含脂质（32-35%），为后续生物燃料生产提供了优质原料，真正实现了"污染物治理-资源回收"的闭环。该成果为开发新一代可持续污水处理技术提供了理论基石，尤其对发展中国家应对水危机和抗生素耐药性挑战具有重要实践价值。