环境浓度磺胺甲恶唑长期暴露对含水层回灌系统中氨氧化微生物群落的特异性调控机制

为解决MAR系统中抗生素去除效率低下的问题，研究人员通过20个月的柱实验探究了环境浓度SMX（500 ng/L）对AOMs群落的慢性影响。研究发现SMX导致AOA、AOB和comammox的amoA基因丰度降低60-67%，并显著改变AOMs群落结构，其中Nitrosarchaeum等耐受菌株丰度提升24倍。该研究为优化MAR系统抗生素去除策略提供了关键理论依据。

　　

随着抗生素在水环境中的持续检出，含水层回灌系统（Managed Aquifer Recharge, MAR）作为重要的水净化技术面临严峻挑战。尽管MAR能有效去除浊度和病原体，但对磺胺甲恶唑（Sulfamethoxazole, SMX）等抗生素的去除率普遍低于50%。更令人担忧的是，作为氮循环关键驱动者的氨氧化微生物（Ammonia-Oxidizing Microorganisms, AOMs）长期暴露于环境浓度SMX下的响应机制尚不明确，这严重制约了MAR系统在抗生素污染环境中的优化应用。

针对这一科学难题，哈尔滨工业大学的研究团队在《Water Research》发表了突破性研究成果。通过长达20个月的模拟MAR柱实验，首次揭示了环境浓度SMX（500 ng/L）对AOMs群落的特异性调控规律。研究发现AOMs群落由氨氧化古菌（Ammonia-Oxidizing Archaea, AOA）和全程氨氧化菌（Complete Ammonia Oxidizers, comammox）主导，而氨氧化细菌（Ammonia-Oxidizing Bacteria, AOB）占比不足2.4%。SMX暴露导致所有AOMs类群的amoA基因（编码氨单加氧酶催化亚基）丰度骤降60-67%，但对不同菌株呈现"抑制-激活"的双重效应：Nitrosotenuis等敏感菌株丰度降低95%，而Nitrosarchaeum等耐受菌株反而增长24倍。特别值得注意的是，AOA展现出比comammox更强的SMX抗性，这一发现为定向调控MAR微生物群落提供了新思路。

研究采用qPCR定量amoA基因丰度，结合宏基因组测序和MAGs（Metagenome-Assembled Genomes）重建技术，系统解析了孔隙介质反应器中AOMs群落的演替规律。通过UHPLC-MS/MS监测SMX浓度变化，并同步检测溶解氧（DO）、溶解性有机碳（DOC）和硝酸盐氮（NO₃^--N）等关键水质参数，确保实验条件模拟真实MAR环境。

DO、DOC和NO₃^--N浓度变化数据显示两组反应器（对照组C_Ctrl和SMX暴露组C_SMX）均保持好氧环境（DO>2 mg/L），且微生物代谢活性无显著差异，证实SMX效应独立于基础环境参数。

AOMs群落结构分析揭示SMX引发显著的分类单元特异性响应：7个AOA MAGs中Nitrosotenuis等4个菌株丰度降低57-95%，而Nitrosarchaeum等3个菌株增长1.4-24.3倍；comammox菌株Nitrospira也呈现类似分化，部分菌株降低82%而其他增长2倍。这种"优胜劣汰"的群落重构现象暗示MAR系统可能存在SMX降解的功能冗余。

结论与意义：该研究首次阐明环境浓度SMX通过amoA基因抑制和群落重构双重机制干扰MAR系统的氮循环功能。发现AOA相较于comammox具有更强的SMX耐受性，为优选功能菌株提升MAR性能提供了理论支撑。研究成果不仅填补了低NH₄⁺-N环境中抗生素-微生物互作认知的空白，更为发展基于微生物群落调控的MAR强化技术奠定了科学基础。