关于污水沉积物中PPCPs分层EPS驱动吸附作用的新见解：长期暴露下的微生物应激响应分泌蛋白与抗性机制

《Journal of Hazardous Materials》：Novel Insights into Stratified EPS-Driven Adsorption Contribution of PPCPs in Sewer Sediments: Microbial Stress-Responsive Secretors and Resistances Host under Chronic Exposure

甲烷氧化菌与绿藻共生系统通过互惠协同放大模型高效降解甲硝唑，降解速率常数（0.067 d?1）较单一菌高2.48-3.72倍。机制包括细菌代谢物诱导藻类光催化及藻类释放氧气增强细菌酶活性，为可持续废水处理提供新范式。

　　

吕永泽|沙洪银|陈迪|朱光灿

东南大学能源与环境学院，南京 210096，中国

摘要

传统处理方法对甲硝唑等顽固性抗生素的去除效果不佳。本研究提出了一种利用甲烷氧化菌与藻类（Methylocystis bryophila和Tetradesmus obliquus）共培养的方法来降解这些抗生素。该系统表现出显著的协同效应，其降解速率常数（0.067 d^?1）分别是单独培养时的2.48倍和3.72倍。这种增强效应源于一种“互惠协同放大”机制，我们将其视为一种跨域生存策略。当面临抗生素威胁时，原核细菌会分泌代谢物，诱导其真核共生伙伴发生混合营养型转变，从而有效“招募”藻类参与解毒过程。这使得藻类成为光催化剂工厂，通过三重态（³EOMs*）产生强效的细胞外有机物（EOMs）。作为回报，藻类产生的氧气使细菌的甲烷单加氧酶活性提高了127%。这项研究揭示了这种之前仅用于合成目的（如生物燃料）的共生关系具有新的防御功能。通过阐明“安全”的酶促途径和有效的光降解途径如何结合，本研究为设计智能微生物联合体以实现完全污染物降解提供了新的范例。

引言

市政污水处理厂（WWTP）排放的废水是顽固性新兴有机污染物（EOCs），如药物，进入水生生态系统的主要途径。更广泛地说，这些EOCs在地表水、地下水甚至土壤中的普遍存在对环境和公共健康构成了重大且往往未被充分认识的风险[1]。像甲硝唑这样的硝基咪唑类抗生素尤其令人担忧，因为它们具有高持久性和潜在的生态毒性[2]。实验室规模的传统生物处理过程对甲硝唑的去除效率通常很低，仅为10-20%[2]、[3]。为了解决这个问题，人们正在探索先进的三级处理技术，主要是高级氧化过程（AOPs）和吸附[4]、[5]、[6]、[7]。然而，这些解决方案存在一个关键trade-off：AOPs虽然效果显著，但能耗高且可能产生有毒副产物[8]、[9]；而吸附到活性炭等材料上只是将污染物从水相转移到固相，从而产生了二次废物处理问题[10]。因此，迫切需要能够完全降解顽固性EOCs且没有这些缺点的可持续、成本效益高的技术。同时，WWTP的运营模式正从线性的“废物处理”模式向强调资源回收的循环系统转变[11]。在这个框架下，现场厌氧污泥消化产生的沼气（富含甲烷（CH₄）和二氧化碳（CO₂）是一种重要的但往往未得到充分利用的能量和碳资源[12]。

利用甲烷氧化菌-微藻联合体的生物技术为解决这些并行挑战提供了一种新颖且有前景的途径[13]。近年来，微藻-细菌共生系统在废水处理方面受到了越来越多的关注。例如，小球藻-活性污泥系统通过生物降解、吸附和光解的联合机制，在去除四环素和磺胺类药物方面显示出潜力[14]。然而，大多数现有研究集中在异养细菌和一般的光养生物上，往往缺乏关于特定酶促途径（如甲烷单加氧酶）如何与伙伴诱导的光化学过程协同作用的详细机制见解。我们团队的基础工作首次建立了Methylocystis bryophila和微藻Scenedesmus obliquus的稳定共培养体系，将原始沼气转化为生物柴油前体[15]。该研究的一个关键发现是建立了一种单向的共生关系：在低氧条件下，甲烷氧化菌作为生物催化剂，释放的有机中间体诱导藻类向混合营养型生长转变，显著提高了其生物量和脂质产量。这证明了这种共培养体系可用于“废物转能源”应用。

尽管该基础研究成功展示了用于合成目的（如生物燃料生产）的代谢耦合[15]，但它提出了一个关键问题：这种强大的共生关系能否被重新用于防御功能，例如环境修复？我们假设这种关系不是单向的，而是一种动态的、互惠的伙伴关系。这意味着藻类不仅可以从甲烷氧化菌的代谢物中获益，还可以通过提供其所需的氧气来积极支持甲烷氧化菌，从而解锁其强大的sMMO共代谢机制。理论上，这种双向协同作用可以创建一个正反馈循环，使两种生物的降解能力远远超过它们各自的单独能力。

因此，本研究直接基于我们之前的发现，将应用重点从能源生产转向水净化。我们探讨了是否可以优化相同的共培养体系来降解模型污染物甲硝唑。我们的目标是阐明“互惠协同放大”机制的原理，即两种不同且互补的途径——酶促共代谢和非生物光降解——如何同时得到增强。通过从系统性能到分子转化的多层次分析，本研究旨在揭示原核生物在面对化学威胁时如何协调跨域生存策略，有效“招募”真核伙伴，以实现单靠任何一方都无法达到的抗性和解毒水平。

实验部分

菌株、培养基和实验设置

本研究中使用了甲烷氧化菌Methylocystis bryophila（DSM-21852）和绿色微藻Tetradesmus obliquus（FACHB-416，旧称Scenedesmus obliquus）。初始细胞密度分别为M. bryophila约1×10⁷细胞/mL和T. obliquus约2×10⁶细胞/mL。所有实验均使用pH 6.2的硝酸盐最小盐（NMS）培养基来支持这两种微生物。NMS培养基的详细组成见支持信息（SI）。

共培养系统表现出强大的协同降解和生长增强效应

本研究的基础发现是M. bryophila和T. obliquus共培养体系表现出的强大协同效应。如图1a所示，共培养在12天内去除了初始3毫克/升甲硝唑的54.8%，远超过M. bryophila（27.6%）和T. obliquus（19.1%）单独培养的效果。这种非线性增强通过伪一级动力学（图1b）得到量化，显示共培养的降解速率常数（k_obs）为0.067 d^?1。

结论

本研究证明，甲烷氧化菌-藻类共生系统是一种强大且可持续的先进污染物去除模型，能够将沼气等废弃物转化为有价值的资源。研究结果表明，这种跨域伙伴关系可以作为一种复杂的生存策略，使微生物生态系统有效应对化学威胁。通过阐明“互惠协同放大”机制，我们展示了不同领域之间的相互作用

支持材料

支持材料文件包括：甲硝唑在非生物条件下的稳定性（图S1）；EOMs的荧光特性和3D-EEM光谱（图S2）；暗条件下共培养系统中甲硝唑浓度的时间变化曲线（图S3）；葡萄糖浓度对EOMs含量和UV-Vis吸收光谱的影响（图S4）；甲硝唑及其降解产物的UPLC-QTOF-MS分析数据（表S1）；预测的水生

环境影响

这项工作的环境影响在于为污水处理厂（WWTP）现代化提供了一种新型的双重用途生物技术。这种甲烷氧化菌-藻类系统同时解决了两个关键挑战：它将废弃物温室气体（沼气）转化为有价值的生物燃料，并通过协同降解顽固性污染物（如抗生素）实现了高级水净化。这一过程为WWTP提供了一种可持续的循环经济模式，超越了传统模式

作者贡献声明

陈迪：撰写——初稿、可视化、方法学、数据管理。朱光灿：资源提供。沙洪银：方法学、正式分析、数据管理。吕永泽：撰写——审稿与编辑、初稿撰写、资源提供、项目管理、概念构思。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。

致谢

本研究得到了国家自然科学基金（项目编号52170153）的支持。