光驱动颗粒污泥：解耦抗生素降解与抗性基因传播的新型生物屏障策略

《npj Clean Water》：Decoupling antibiotic degradation from resistance development: photogranules act as a biocontainment for ARGs in wastewater

本研究针对传统污水生物处理中抗生素去除与抗性基因（ARGs）富集耦合的难题，通过构建蓝藻-细菌颗粒污泥（CBGS）系统，实现了污染物高效去除与抗性传播的有效解耦。结果表明，CBGS在500 μg L-1抗生素胁迫下仍保持93.71-671.93 μg L-1d-1的高效去除能力，并通过诱导氧化降解途径、抑制水平基因转移（HGT），使出水ARGs丰度显著降低（13/20类型）。该研究为污水处理过程中抗生素耐药性的风险控制提供了创新性解决方案。

　　

随着现代污水处理系统成为抗生素和抗生素抗性基因（ARGs）向环境释放的主要通道，生态安全和公共健康面临严峻挑战。传统细菌颗粒污泥（BGS）虽能高效去除抗生素，却不幸成为ARGs富集的热点区域，形成"去除污染物却放大耐药风险"的恶性循环。更棘手的是，抗生素降解过程中产生的转化产物（TPs）往往仍具生物活性，甚至可能比母体化合物更具潜在危害。这一困境的核心在于微生物群落普遍采用的"耐药性促进型失活策略"——通过酶促降解使抗生素失活，但该过程与耐药性状直接耦合，导致携带抗性基因的宿主持续获得选择优势。

为破解这一难题，厦门大学城市环境研究所Claude Kiki和孙倩研究员在《npj Clean Water》上发表了创新性研究，将铜绿微囊藻（Microcystis aeruginosa）与BGS耦合形成蓝藻-细菌颗粒污泥（CBGS）系统。研究人员通过120天的连续实验发现，CBGS不仅展现出更强的结构稳定性和污染物去除能力，更重要的是成功实现了抗生素降解与ARGs增殖的有效解耦。

研究团队采用光序批式反应器（PSBR）平行对比CBGS与BGS系统在多类抗生素（0-500 μg L^-1）持续胁迫下的性能表现。通过整合代谢组学（转化产物鉴定）、宏基因组学（ARGs和移动遗传元件分析）和网络拓扑分析等多维度技术手段，深入解析了系统内部的分子机制和生态互作关系。

系统性能与稳定性

在≤200 μg/L抗生素浓度下，CBGS系统表现出卓越的稳定性，胞外聚合物（EPS）产量增加21-30%，且沉降性能优异（SVI₃₀/SVI₅=0.67-0.74）。当抗生素浓度升至500 μg/L时，虽然两个系统的COD和NH₄⁺-N去除效率均显著下降，但CBGS在氮素管理方面展现出更强韧性，出水硝酸盐浓度显著低于BGS系统（21.9 mg/L vs. 40.2 mg/L）。值得注意的是，CBGS系统中内源性微囊藻毒素LR（MC-LR）在运行65天后完全降解，为系统创造了更优化的代谢环境。

抗生素去除动力学与转化途径

CBGS系统在所有测试浓度下均表现出更高的抗生素消除速率（93.71-671.93 vs. 93.38-499.63 μg L^-1d^-1）。动力学分析显示，大环内酯类和磺胺类药物遵循Stover-Kincannon模型，而甲氧苄啶和氟喹诺酮类则符合一级动力学模型。CBGS系统表现出更高的最大底物利用速率（U_max）和一级速率常数（k），证实其降解效能显著优于BGS系统。

转化产物分析揭示了两种系统的根本差异：CBGS中主要生成氧化修饰产物（羟基化、脱烷基化等），而BGS则富集乙酰化、甲基化等典型酶促失活产物。这一发现为理解两种系统的不同抗性选择压力提供了化学证据。

ARGs/MGEs的命运演变

宏基因组分析显示，CBGS出水中20种ARGs类型中的13种丰度下降，而BGS中16种丰度上升。颗粒关联生态位分析表明，CBGS系统中ARGs在生物相与水相间的交换显著受限，水平基因转移（HGT）潜力明显降低。这种"生物封闭"效应源于蓝藻形成的物理屏障、活性氧介导的DNA降解以及藻类分泌物对细菌通讯的干扰等多重机制。

微生物群落重构与功能解耦

非度量多维尺度分析表明，蓝藻接种显著改变了微生物群落结构（ANOSIM, p=0.021）。网络分析显示，CBGS系统中ARGs与微生物宿主的关联更为复杂（830 vs. 631个关联），但关键特征是降解功能菌群（伯克霍尔德菌目、假单胞菌目）与主要ARGs宿主（几丁质菌目、Kapabacteriales）在分类学上明显分离，实现了功能解耦。而BGS系统中，Rhodobacterales等类群同时承担降解和ARGs宿主功能，形成紧密耦合。

代谢策略的本质差异

酶学特征分析揭示了两系统的根本差异：CBGS中细胞色素P450单加氧酶（EC 1.14.14.18）、碳碳裂解酶（EC 4.1.99.1）等氧化酶显著上调，指向非选择性氧化降解途径；而BGS中乙酰转移酶（EC 2.3.1.85/28）、甲基转移酶（EC 2.1.1.181）等典型耐药酶高表达，证实其依赖酶促失活策略。

这项研究通过多维度证据链证实，CBGS系统通过化学（氧化降解替代酶促失活）、生态（降解菌与ARGs宿主分离）和物理（限制HGT）三个层面的解耦机制，实现了抗生素高效去除与抗性传播控制的双重目标。该技术不仅为污水处理厂升级提供了新思路，更为解决全球抗生素耐药性危机提供了基于生态工程学的创新方案。未来研究需通过稳定性同位素探针等技术进一步验证原位活性，推动这一策略向实际应用转化。