硫铁矿/硫自养反硝化系统对磺胺甲恶唑与铜胁迫的响应机制：微生物群落与抗性基因的调控启示

本研究针对抗生素和重金属复合污染对自养反硝化系统的冲击问题，通过构建硫铁矿(Rp)、单质硫(Rs)及其混合体系(Rm)驱动的固相反硝化系统，解析了磺胺甲恶唑(SMX)和Cu(II)胁迫下氮去除效率、微生物群落组装机制及抗生素抗性基因(ARGs)的传播规律。研究发现Rm体系在5 mg/L SMX+1 mg/L Cu(II)胁迫下仍保持93.82%脱氮效率，且硫铁矿比例与ARGs丰度呈负相关，为低C/N废水处理中抗性基因控制提供了新策略。

　　

随着抗生素在医疗和农业领域的滥用，磺胺甲恶唑(SMX)等持久性污染物与重金属铜(Cu(II))的复合污染已成为污水处理厂的重大挑战。这类污染物不仅会破坏微生物群落，还会加速抗生素抗性基因(ARGs)的传播，对公共健康构成威胁。与此同时，传统污水处理工艺对低碳氮比(C/N)废水处理效率低下，而基于硫铁矿(pyrite)或单质硫(S(0))的固相自养反硝化(SPAD)技术虽具有无需有机碳源的优势，但其在复合污染胁迫下的响应机制尚不明确。

针对这一科学问题，同济大学环境科学与工程学院的研究人员开展了系统性研究，通过构建三种电子供体体系（纯硫铁矿Rp、纯单质硫Rs、混合体系Rm），首次揭示了SMX与Cu(II)胁迫下SPAD系统的微生物群落演替规律和ARGs传播特性。相关成果发表在《Journal of Water Process Engineering》上，为优化低C/N废水生物处理工艺提供了重要理论支撑。

研究团队采用连续流反应器运行150天，结合三维荧光光谱-平行因子分析(EEM-PARAFAC)和宏基因组技术，重点监测了脱氮性能、可溶性微生物产物(SMP)变化、群落组装机制及功能基因表达。通过生态网络分析和中性模型，解析了环境压力下的微生物互作关系与随机/确定性过程对群落的调控作用。

Reactor operation performance
研究发现：在5 mg/L SMX单独胁迫下，Rm体系保持99.18%-99.66%的脱氮效率，而Rp体系始终低于22.39%；但当SMX与1 mg/L Cu(II)复合胁迫时，Rm效率降至93.82%，Rs却表现出最强抗性（99.25%-99.27%）。EEM-PARAFAC显示Cu(II)显著抑制微生物代谢活性，表现为SMP含量下降。

Microbial community assembly
随机过程主导群落构建，其中漂变(drift)促使Rs和Rm中硫杆菌(Thiobacillus)向铁营养菌(Ferritrophicum)转化，而扩散限制导致Rp菌群分散。Rm展现出最复杂的共生网络，微生物协作关系占主导。

Functional genes response
尽管胁迫导致反硝化和硫氧化基因下调，但Rs/Rm中ABC转运体和电子传递基因的上调保障了脱氮稳定性。值得注意的是，硫铁矿比例与ARGs丰度呈显著负相关，Rm体系潜在ARGs宿主数量较Rs减少37.5%。

Conclusions
该研究创新性地阐明：1）硫铁矿与单质硫的协同作用可缓解复合污染冲击，混合体系Rm在保持高效脱氮同时抑制ARGs传播；2）随机过程主导的群落组装和微生物协作网络是系统稳定性的关键；3）硫铁矿通过未知机制抑制ARGs富集，这为开发"抗性基因阻断型"污水处理工艺提供了新思路。研究成果对指导工业废水处理中抗生素-重金属复合污染控制具有重要实践价值。