一种用于高效生物再生的新型枯草芽孢杆菌（Bacillus cereus KB-2）菌株：该菌株在吸附磺胺甲噁唑后能够显著促进高温生物炭的再生过程

《Environmental Research》：A novel Bacillus cereus KB-2 strain for highly efficient bioregeneration of high-temperature biochar after sulfamethoxazole adsorption

磺胺类抗生素（SMX）吸附于高温生物炭后生物降解效率低，本研究发现枯草芽孢杆菌KB-2可高效降解吸附的SMX（54.6%~67.5%），再生10次后仍保持77.3%原始吸附能力，其机制为产生脂肽类生物表面活性剂促进解吸与降解。

　　

冯一洲|林道辉|杨坤|吴文豪

中国浙江省土壤污染控制与安全国家重点实验室、有机污染过程与控制浙江省重点实验室、教育部环境污染与生态健康重点实验室，浙江大学环境与资源科学学院，杭州310058

摘要

微生物对吸附在高温生物炭上的磺胺类抗生素（SAs）的降解以及生物炭的原位生物再生对于保持生物炭在长期土壤或水修复过程中对SAs的吸附性能至关重要。不幸的是，由于生物可及性低，先前研究中吸附在高温生物炭上的SAs的微生物降解效率较低（<23.9%）。本文报道了一种新型降解菌株枯草芽孢杆菌 KB-2，该菌株在四天内对WBC700上的磺胺甲噁唑（SMX）的降解率高达54.6%～67.5%。值得注意的是，经过十次连续的吸附和生物再生循环后，WBC700仍保留了其原始SMX吸附能力的77.3%。在枯草芽孢杆菌 KB-2的细胞外液中，吸附的SMX的最大脱附率为62.0%，远高于无微生物培养基中的脱附率（<1%），且生物降解率与脱附率呈正相关（r² = 0.971）。此外，FTIR和GC-MS结果表明细胞外液中含有脂肽表面活性剂。因此，枯草芽孢杆菌 KB-2可能通过产生脂肽表面活性剂来增强WBC700上吸附的SMX的脱附，进而降解这些脱附的SMX。这项工作首次证明了高温生物炭在吸附SMX后的高效生物再生能力，显示出其在土壤或水修复中原位再生生物炭的巨大潜力。

引言

近年来，由于磺胺类抗生素（SAs）具有化学稳定性强、生产容易和广谱抗菌性，它们在畜牧业和医药工业中的使用日益增加（Liu等人，2025；Dong等人，2022）。磺胺甲噁唑（SMX）是全球使用最广泛的抗生素之一（Liu等人，2025；Dong等人，2022）。大量SMX不可避免地释放到环境中并逐渐积累，导致病原微生物产生抗生素抗性基因，这对各种生物体构成了严重威胁（Feng等人，2024；Cheng等人，2020）。本研究选择了高温生物炭，因为许多先前的研究表明，高温生物炭通常比低温生物炭具有更高的抗生素吸附能力（Ganie等人，2021；Huang等人，2018）。利用具有大表面积和发达多孔结构的高温生物炭吸附SMX被认为是一种有效且经济的方法，可以降低SMX在环境中的迁移性、生物可及性和风险，该方法已应用于土壤修复和水处理项目（Ajibade等人，2023；Li等人，2023a）。然而，这种方法的应用瓶颈在于高温生物炭对SMX的长期吸附能力有限。随着SMX吸附量的增加，生物炭的吸附性能会持续下降（Wu等人，2021）。此外，吸附在生物炭上的SMX可能会重新进入环境，造成二次污染（Feng等人，2024；Li等人，2023b）。因此，降解吸附在高温生物炭上的SMX（即再生生物炭）至关重要，这不仅有助于保持高吸附效率，还能减少二次污染。

在先前的研究中，已经有多种有效的抗生素降解方法，如高级氧化工艺和电化学方法（Liang等人，2023；Gong等人，2022）。与化学或电化学降解方法相比，微生物降解方法成本更低、更环保，并可用于水和土壤修复中的原位生物炭再生（Zou等人，2024；Tao等人，2022）。一般来说，微生物降解方法的效率主要取决于微生物对污染物的降解能力以及污染物对降解微生物的生物可及性（Zhang等人，2020）。目前，已有许多从废水处理活性污泥或土壤和沉积物样本中分离出的微生物能够高效（>90%）降解水溶液中的游离SMX，例如不动杆菌属、微杆菌属、脱氮色杆菌（Wang和Wang，2018；Herzog等人，2013；Reis等人，2014）。然而，由于生物可及性低，先前研究中吸附在高温生物炭上的SAs的微生物降解效率较低（<23.9%）（表1）。例如，脱氮色杆菌可以降解100%的水溶液中的SMX，但只能降解4%的吸附在600°C高温生物炭上的SMX；斯宾戈omonas可以降解95%的水溶液中的SMX，但只能降解9%的吸附在600°C高温生物炭上的SMX（Reis等人，2014；Zhang等人，2021；Zheng等人，2021）。与水溶液中易于被降解微生物接触的游离SMX相比，吸附在生物炭上的SMX对微生物来说是不可及的。这是因为吸附在高温生物炭上的SMX主要滞留在微孔或中孔（<50 nm）内，而这些孔隙无法容纳相对较大的微生物（>1 μm）（Wu等人，2021；Chong等人，2019；Zhang等人，2023）。此外，由于高温生物炭的强吸附亲和力，吸附在生物炭上的SMX通常难以脱附到水溶液中（Feng等人，2024）。正是SMX对降解微生物的生物可及性低，极大地限制了其生物降解。因此，提高SMX的生物可及性对于实现生物炭吸附SMX的高效生物降解和后续的高效再生至关重要。

将吸附在高温生物炭上的SMX脱附到水溶液中，使其变为游离SMX，对于提高SMX对降解微生物的生物可及性至关重要（Xin等人，2014；Liu等人，2022）。受文献中利用表面活性剂增强生物炭中有机化合物脱附效果的启发，微生物产生的表面活性剂可能有助于提高高温生物炭中SMX的脱附率和SMX的生物可及性（Zhou和Zhu，2007；Yao等人，2024）。因此，既能降解SMX又能产生表面活性剂的微生物可能能够降解吸附在高温生物炭上的SMX。在能够降解SMX的微生物中，枯草芽孢杆菌属被报道具有降解水溶液中游离SMX的能力，并且具有产生表面活性剂（如脂肽和糖脂）的潜力（Xu等人，2011；Wang等人，2022；Schalchli等人，2023）。因此，我们假设枯草芽孢杆菌属可能有助于提高生物炭上吸附SMX的生物可及性及其生物降解效率。然而，目前尚未评估枯草芽孢杆菌属降解生物炭上吸附的SMX的可行性及其再生效果，相应的机制和影响因素（如pH值、碳源）也尚未明确。

因此，在本研究中，我们使用从700°C热解木屑制备的生物炭上吸附的SMX，由降解菌株枯草芽孢杆菌 KB-2进行生物降解。该菌株是从制药废水处理系统的活性污泥中分离出来的，用于SMX的降解。本研究的目的包括：（i）评估枯草芽孢杆菌 KB-2对WBC700上吸附的SMX的生物降解效率及其生物再生能力；（ii）揭示枯草芽孢杆菌 KB-2降解WBC700上吸附的SMX的潜在机制；（iii）研究pH值和碳源对枯草芽孢杆菌 KB-2降解WBC700上吸附的SMX的影响。本研究旨在为高温生物炭上吸附的抗生素的微生物降解提供新的见解，并开发一种高效的原位生物炭再生方法，用于水和土壤修复。

部分内容

化学物质和生物炭

磺胺甲噁唑（SMX，+99%）购自中国药化试剂有限公司。蔗糖（+99%）购自Labgic Technology有限公司。葡萄糖（+99.5%）和蛋白胨（+99%）购自上海Yien Chemical Technology有限公司。其他化学物质均为分析纯或更高级别的试剂。本研究中使用的生物炭样本与我们之前的研究相同（Feng等人，2024）。简而言之，生物炭是通过热解来自中国的木屑制备的。

WBC700上吸附的SMX的生物降解动力学及枯草芽孢杆菌 KB-2对WBC700的生物再生

枯草芽孢杆菌 KB-2是从含有SMX的培养基中筛选出的制药废水处理系统的活性污泥中分离出来的，用于SMX的降解。实际上，从该活性污泥中分离出了五种细菌，分别命名为KB-1、KB-2、KB-3、KB-4和KB-5。菌株KB-1、KB-2、KB-3、KB-4和KB-5对5.06±0.19 mg/L游离SMX的生物降解率分别为45.2%、74.5%、4.8%和53.4%

结论

在本研究中，我们从制药废水处理系统的活性污泥中成功分离出一种新型降解菌株枯草芽孢杆菌 KB-2，该菌株能够在四天内降解WBC700上吸附的SMX的54.6%～67.5%。值得注意的是，经过十次连续的吸附和生物再生循环后，WBC700对SMX的原始吸附能力仍保留了77.3%。枯草芽孢杆菌 KB-2降解WBC700上吸附的SMX的潜在机制可能是...

CRediT作者贡献声明

林道辉：撰写——审稿与编辑，概念构思。冯一洲：撰写——初稿，方法学，实验研究。吴文豪：撰写——审稿与编辑，方法学，资金获取，概念构思。杨坤：撰写——审稿与编辑，方法学，概念构思

未引用的参考文献

Forghani等人，2015年。

利益冲突声明

作者声明没有利益冲突。

数据可用性

数据可应要求提供。

利益冲突声明

作者声明没有已知的利益冲突或个人关系可能影响本文所述的工作。

致谢

本研究部分得到了国家自然科学基金（U21A20163）、国家重点研发计划（2022YFC3702101、2024YFD1501801）、国家自然科学基金（22476179、22106135）以及中央高校基本科研业务费（226-2025-00148）的支持。