《Environmental Technology & Innovation》：Effects of sodium dodecyl sulfate (SDS) pollution on carbon and nitrogen cycling driven by microbes in the lake-terrestrial ecotone
编辑推荐：
本研究针对日益严重的表面活性剂SDS污染问题，通过大规模模拟实验，揭示了不同浓度SDS对湖陆交错带微生物群落结构及碳氮循环功能基因的动态影响。研究发现SDS对微生物功能存在“中浓度抑制、高浓度促进”的双重效应，6 mg/L为关键阈值，阐明了其通过调控功能基因（如cbbM、nirS）影响污染物净化能力的机制，为精准评估PPCPs环境风险及湖陆交错带生态管理提供了科学依据。
在日常生活和工业生产中，十二烷基硫酸钠（SDS）作为一种性能优异的阴离子表面活性剂被广泛应用。随着新冠疫情期间消毒类个人护理用品（PPCPs）用量的激增，大量SDS通过生活污水和工业废水进入河流、湖泊等自然水体。SDS虽可在好氧条件下生物降解，但其对环境微生物活性具有显著的抑制效应，被视为一种广谱有机杀菌剂。湖陆交错带作为湖泊的天然保护屏障，在拦截和循环碳、氮等污染物方面发挥着至关重要的作用，这一功能主要由微生物驱动。SDS进入这一脆弱界面，通过改变土著微生物群落，可能对关键的生物地球化学循环过程产生不可忽视的影响。然而，以往研究多关注SDS的生物降解，关于不同浓度SDS如何影响湖陆交错带这一关键界面中驱动碳氮循环通量的微生物功能基因，尚存在知识空白。
为了填补这一空白，中国环境科学研究院的研究团队在《Environmental Technology》上发表论文，开展了一项创新性研究。他们旨在探究不同浓度SDS如何改变湖陆交错带的微生物群落结构和功能基因，并利用大规模模拟实验阐明其对水体自净能力的影响，以期更精确地评估以SDS为代表的PPCPs的潜在环境 impact。
研究人员主要运用了几项关键技术方法：首先，利用中国环境科学研究院构建的大型湖陆交错带模拟池系统进行受控实验，该系统可精确调控水位、水质等条件。其次，设置了2、6和10 mg/L三个SDS浓度梯度，这些浓度是基于国家污水排放标准设定的。第三，在实验不同时间点采集土壤和水样，通过宏基因组测序（采用MEGAHIT组装、MetaWRAP流程分箱、Kaiju分类学注释等）全面分析微生物群落结构和功能潜能。第四，采用实时定量PCR（qPCR）技术，靶向定量分析了与碳固定（cbbL, cbbM）、甲烷生成（mcrA）、几丁质降解（chiA-1）、氮固定（nifH）、硝化作用（amoA, hao）和反硝化作用（nirS, nirK）相关的关键功能基因的丰度。最后，对水样中的总有机碳（TOC）、总氮（TN）、氨氮（NH4+-N）、硝酸盐氮（NO3--N）和亚硝酸盐氮（NO2--N）等水质参数进行了监测，以验证微生物层面的变化如何体现在宏观污染物浓度上。
3.1. Effects of SDS pollution on microbial communities and functional genes of carbon-nitrogen cycling
研究结果显示，SDS胁迫对微生物阿尔法多样性（Alpha diversity）产生了显著影响。Chao1和Shannon指数在SDS加入后均出现下降，表明SDS对广谱微生物产生了抑制，使得SDS耐受和降解类群（如假单胞菌属 Pseudomonas）得以占据优势。微生物群落结构发生明显转变。未分类的β变形菌纲（unclassified Betaproteobacteria）和伯克霍尔德氏菌目（unclassified Burkholderiales）的相对丰度先降后升，尤其在10 mg/L处理中后期丰度较高，表明高浓度SDS可能刺激了这类具有氮磷转化功能的微生物生长。而硝化螺旋菌科（Nitrospiraceae）在10 mg/L处理下受到强烈抑制，但在中低浓度下其丰度先增后减，可能与SDS作为碳源被利用有关。疣微菌科（Opitutaceae）的相对丰度变化与伯克霍尔德氏菌目类似，在高浓度处理中丰度更高，提示其可能利用SDS及其降解中间体作为碳源，从而加速SDS降解。
3.2. Quantitative variations in functional genes associated with carbon and nitrogen metabolism
3.2.1. Quantitative variations in carbon metabolism–related functional genes
碳代谢相关功能基因的定量分析揭示了SDS的浓度依赖性效应。碳固定关键基因cbbL和cbbM的拷贝数在SDS暴露初期（第3天）出现峰值，尤其在10 mg/L处理中持续保持较高表达水平，表明SDS暴露初期增强了微生物的碳固定潜力，高浓度SDS驱动了微生物代谢重编程以增强碳固定能力。甲烷生成标志基因mcrA的拷贝数在低浓度处理中显著高于中高浓度处理，表明升高SDS浓度显著抑制了产甲烷古菌（如甲烷杆菌科 Methanobacteriaceae）的丰度。几丁质降解基因chiA-1的拷贝数在所有处理中均呈现先快速上升后下降再恢复的趋势，且其变化与几丁质杆菌科（Chitinophagaceae）的相对丰度趋势高度一致，证明了SDS对难降解化合物降解能力的动态影响。
3.2.2. Quantitative variations in nitrogen metabolism–related functional genes
氮代谢相关功能基因对SDS浓度的响应各异。固氮基因nifH拷贝数在中、高浓度处理中于第3天出现峰值，随后下降，最终高浓度处理稳定在较高水平，这与固氮菌科（Azospirillaceae）和阿佐内克斯菌科（Azonexaceae）的丰度变化一致，表明高SDS浓度刺激了这些菌群的生长。硝化作用基因amoA拷贝数在低浓度处理中逐渐下降，而在中、高浓度处理中呈上升趋势，高浓度处理尤为明显。羟胺氧化酶基因hao的拷贝数变化相对不敏感。反硝化作用基因nirS拷贝数在低浓度处理中持续增加至高值，而在中、高浓度处理中先快速上升后下降；nirK基因拷贝数总体呈下降趋势。值得注意的是，在高浓度处理中，科默蒙单胞菌科（Comamonadaceae）这类与反硝化密切相关的细菌丰度显著高于其他处理，对应了其较强的反硝化潜力。
3.3. Validation of the effects of SDS pollution on carbon and nitrogen contents in aquatic systems
水质分析结果从宏观层面验证了上述微生物功能的变化。总有机碳（TOC）浓度在实验初期下降，后期部分恢复，可能与微生物同化及后期细胞裂解释放碳有关。总氮（TN）和硝酸盐氮（NO3--N）浓度在实验初期均呈现下降趋势，且SDS添加组低于对照组，表明SDS添加在短期内增强了硝化和反硝化速率。氨氮（NH4+-N）的去除效率与SDS浓度呈反比，高浓度可能抑制了氨氧化微生物。特别值得注意的是，亚硝酸盐氮（NO2--N）浓度在SDS添加后迅速升高并积累，尤其在髙浓度处理中最显著，这可能是由于SDS抑制了硝化螺菌属（Nitrospira）等亚硝酸盐氧化微生物所致，该积累效应在大约12天后消失。
综合讨论与结论表明，SDS因其兼具抗菌特性和有机碳源的双重特性，对微生物群落的生物地球化学循环功能产生了独特的“中浓度抑制、高浓度促进”效应。在湖陆交错带的厌氧环境中，低浓度SDS影响甚微，中浓度（6 mg/L）抑制微生物活性但未显著改变群落结构，而高浓度（约10 mg/L）则为SDS降解微生物提供了碳源，促进了耐污染类群的增殖，从而增强了氮循环过程。6 mg/L被确定为影响碳氮循环功能最显著的关键浓度阈值。不同功能基因对SDS浓度的敏感性存在差异，碳固定、氮固定和反硝化相关基因比硝化相关基因更为敏感。
这项研究的意义重大。它挑战了SDS作为抑菌剂其抑制作用随浓度线性增加的传统认知。研究结果指出，当前排放标准允许的SDS浓度（如4-6 mg/L）可能恰恰是对湖陆交错带微生物功能风险最大的区间。因此，建议当出水SDS浓度处于4-6 mg/L时，应加强处理措施进一步降低其浓度；而当浓度接近10 mg/L时，除非能降至2 mg/L以下，否则额外的人工去除并非必要。该研究为精准评估表面活性剂的环境风险、制定科学的湖陆交错带污染修复与管理策略提供了关键的科学依据，并强调了在环境管理中考虑污染物浓度阈值效应的重要性。未来研究可关注耐污染类群长期生态后果、关键功能基因差异敏感性的分子机制，以及在实地条件下验证这些阈值和功能响应。
