湿地区域生态系统中，附生生物膜在红霉素压力下的响应及其与大叶藻的相互作用

《Science of The Total Environment》：Macrophyte-mediated responses of epiphytic biofilms under erythromycin stress in wetland mesocosms

　　

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  红霉素会改变湿地系统中的生物膜群落结构。
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  P. wrightii 在红霉素（ERY）胁迫下表现出相对稳定的氮去除能力。
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  人工系统趋向于异养生物的主导。
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  红霉素暴露会导致光合功能的下降。

引言

药物污染物在水环境中的存在是一个全球性的问题，特别是像红霉素（ERY）这样的抗生素。作为一种广泛使用的大环内酯类抗生素，由于传统处理过程中去除不完全，红霉素经常在废水排放物和自然水体中被检测到（Baranauskaite-Fedorova和Dvarioniene，2022年；Tang等人，2023年）。它在水生系统中具有持久性，通过对微生物群落施加选择性压力、破坏生态系统功能以及促进抗生素耐药基因和细菌（ARGs和ARBs）的传播而带来生态风险（Chen等人，2023b年；Yan等人，2023年）。在湿地环境中，微生物过程驱动着养分循环和污染物转化，这些干扰可能会对系统稳定性和水质产生连锁效应（Miao等人，2025年；Zhao等人，2022年）。

人工湿地系统和天然湿地系统被广泛认为是减轻新兴污染物（包括抗生素）影响的可持续解决方案（Bai等人，2022年；Sujan Sai等人，2026年）。在这些系统中，附生生物膜附着在植物表面或人工基底上。这种互利关系通过生物降解、吸附和转化在污染物去除中起着关键作用（Carvalho和Matamoros，2022年）。然而，抗生素的暴露会显著改变这些生物膜的结构和功能。先前的研究表明，抗生素可以抑制敏感的微生物类群，降低生物多样性，并使群落组成向更耐药的和机会性生物转变（Amor和Gore，2022年；Pathak等人，2023年）。这些变化通常会导致关键生态功能（如碳代谢和氮循环）的改变，而这些功能对于维持湿地功能至关重要（Ohore等人，2021a；Ohore等人，2021b）。

尽管人们对抗生素与微生物组相互作用的研究兴趣日益增加，但现有文献主要集中在整体水体微生物群落或单一基底系统上，对不同基底在抗生素胁迫下如何影响微生物反应的关注有限（Zhang等人，2024年）。特别是，生物基底（沉水植物）和人工基底在塑造附生生物膜反应和功能方面的比较作用仍不够清晰。像Potamogeton wrightii这样的沉水植物通过表面异质性、氧气释放和根系分泌物提供复杂的微环境，所有这些都可以支持多样的微生物生态位（Shi等人，2024年）。相比之下，人工基底缺乏这些生物相互作用，可能更依赖吸附和微生物聚集等被动过程。理解这些不同系统对抗生素暴露的反应对于优化湿地设计和提高污染物去除效率至关重要。

先前的研究，包括我们对Vallisneria natans的研究，已经展示了红霉素如何影响湿地水质、微生物多样性、群落组成、形态、网络相互作用和预测的代谢活动（Chen等人，2023b年；Yan等人，2023年）。然而，仍存在一些关键的知识空白。值得注意的是，目前尚不清楚微生物对抗生素胁迫的反应是否在不同沉水植物物种间具有一致性，或者是否取决于基底类型。此外，群落重组如何影响预测的生态功能、生物膜形态和湿地系统中的污染物去除效率仍有待研究。

与我们之前研究Vallisneria natans并评估其对不同红霉素浓度的反应不同（Chen等人，2023b年），本研究重点研究Potamogeton wrightii》，这是一种在高红霉素暴露下的一种独特的沉水植物。通过分析P. wrightii上的生物膜，并将其与人工基底上的生物膜进行比较，该研究提供了特定物种和基底下的微生物群落重组、其预测的功能稳定性以及红霉素在湿地中命运的评估。这一比较框架明确了植物种类是否影响附生生物膜在维持关键生态系统功能的同时抵抗抗生素干扰的能力。

为了解决这些空白，本研究调查了红霉素对包含沉水植物（Potamogeton wrightii）或人工植物模拟物的湿地中的附生生物膜群落的影响。通过结合高通量测序、功能预测、多样性分析和形态观察，我们旨在了解抗生素暴露如何驱动不同基底类型下的微生物群落重组和功能变化。具体来说，我们希望：（i）分析ERY胁迫下微生物群落组成和多样性的变化；（ii）评估与碳和氮循环相关的预测代谢功能的变化；（iii）比较生物基底和人工基底在调节微生物反应和污染物去除途径中的作用。

通过整合结构、功能和系统层面的分析，这项工作为理解湿地环境中微生物恢复力和抗生素去除机制提供了新的见解，为理解和优化应对新兴污染物压力的基于自然的治疗系统提供了更全面的框架。

章节摘录

材料和化学物质

Potamogeton wrightii植物由中国南京的高春富田水生植物公司购买，而人工植物则是在线购买的。沉积物和水样来自中国南京市的淮海大学校园内。沉积物和水样采集于2021年3月，这是实验第一阶段的开始。使用的化学试剂为HPLC级纯度，包括红霉素（≥850 μg/mg）、丙腈、甲醛、乙醇、硫酸铵等。

湿地系统中的水质和红霉素去除

支持水质参数的结果，包括电导率（EC）、氧化还原电位（ORP）、溶解氧（DO）和pH值，在表S1中呈现。在两个添加了红霉素的湿地系统中，水柱中的红霉素浓度显著下降。由于本研究没有包含特定途径的降解测量（包括非生物和光解控制），因此水中的红霉素减少被描述为去除或消散，而不是生物降解。

结论

本研究表明，红霉素（ERY）的暴露导致湿地系统中附生生物膜群落的显著且受基底依赖性的重组。在人工基底和Potamogeton wrightii基底上，ERY引发了从光合生物和蓝细菌主导向化能异养生物和耐受胁迫生物的转变，同时伴随着微生物多样性的减少和群落组成的改变。这些分类学变化与功能变化密切相关。

CRediT作者贡献声明

Abigail Mwin-nea Samwini：撰写——初稿撰写、可视化、方法论设计、实验实施、数据分析、概念化。Deqiang Chen：指导、资金获取、数据管理、概念化。Lydia Numafo-Brempong：方法论设计、数据分析、概念化。Md Nashir Uddin：撰写——审稿与编辑、可视化验证。Chichedo I. Duru：撰写——审稿与编辑。Samendra Sherchan：指导、撰写——审稿与编辑。Dong

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利益冲突声明

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Abigail Mwin-nea Samwini|Deqiang Chen|Lydia Numafo-Brempong|Md Nashir Uddin|Chichedo I. Duru|Samendra Sherchan|Dong Hee Kang