解析化能自养反硝化菌对磺胺嘧啶的响应：微生物群落变化与工艺性能的关联

《Journal of Water Process Engineering》：Deciphering the responses of hydrogenotrophic denitrifiers to sulfadiazine: Linking microbial community shifts to process performance

　　

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  在H₂-MBfR中400 μg/L SDZ条件下，稳态时总氮去除率（TNR）超过99%。
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  对比的氧化还原偏好限制了SDZ的去除。
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  硫酸盐（20–60 mg S/L）共存不影响反硝化过程。
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  宏基因组分析揭示了SDZ耐受型氢营养反硝化菌的选择性富集。
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  潜在的硝酸盐还原酶（NAR）向亚硝酸盐还原酶（NAP）的转变以及增强的亚硝酸盐还原作用支撑了系统的功能韧性。

引言

近年来，集约化和工业化水产养殖的快速发展，特别是循环水养殖系统（RAS）的广泛应用，推动了全球水产养殖产量的大幅增长[1]。RAS技术通过最小的换水量实现高密度鱼类养殖，是一种节水节地的生产系统[2]、[3]、[4]。然而，有效去除RAS出水中的污染物对于实现可持续的水资源循环利用至关重要，这也给系统的运行管理带来了重大挑战[5]、[6]。

在水产养殖过程中，鱼类代谢排泄和预防性药物使用导致RAS出水中氮化合物与抗生素共存[7]、[8]、[9]，且二者浓度相差数个数量级[10]。例如，典型RAS出水中硝酸盐氮（NO₃^?-N）浓度范围为17.5至97.6 mg N/L[11]、[12]、[13]，而常检测到的抗生素磺胺二氢嘧啶（SDZ）的峰值浓度可达120 μg/L[10]、[14]。这些共存的污染物因此需要联合处理以确保高效的水资源回用。

然而，它们之间巨大的浓度差异以及截然相反的氧化还原依赖转化要求给传统生物处理工艺带来了相当大的挑战：硝酸盐去除依赖还原性反硝化过程，而SDZ的转化则可在氧化和还原条件下发生[15]、[16]、[17]。一方面，微生物反硝化需要充足的电子供体，而RAS出水典型的富氧条件（溶解氧范围5.0至10.3 mg/L）以及共存硫酸盐的存在——尤其在海水养殖中——可能与反硝化竞争电子，从而降低反硝化效率[18]、[19]、[20]。另一方面，残留抗生素对反硝化菌群的影响以及在相互矛盾的氧化还原条件下硝酸盐和SDZ去除的机制仍不清楚。因此，开发能够在含抗生素体系中稳定运行的生物反硝化技术并阐明其应用边界具有重要的实际价值。

近年来，基于氢气的膜生物膜反应器（H₂-MBfR）驱动的自养反硝化技术因其通过无气泡扩散高效供应电子供体（H₂）而备受关注[21]、[22]、[23]。这种生物技术在低碳废水处理领域展现出可观的应用前景[24]、[25]，为RAS出水处理提供了可持续的替代方案。

然而，H₂-MBfR性能的微生物机制仍未得到充分探索，尤其是微生物对抗生素胁迫的响应以及硝酸盐和SDZ去除的调控机制。例如，虽然已有研究探讨了SDZ等抗生素在异养体系中对反硝化的影响，但其对氢营养反硝化的作用仍属空白。在异养体系中，SDZ暴露可富集特定的细菌种群，改变硝酸盐还原过程，导致水中SDZ和硝酸盐浓度降低。这些过程依赖于异养反硝化菌中有机碳氧化产生的能量和非特异性酶的活性[17]、[26]、[27]。相比之下，H₂-MBfR完全依赖H₂氧化供能[28]，导致能量代谢和微生物群落组成存在根本性差异。在这些条件下，SDZ的去除可能因自碱化引起的pH升高而受到限制，或需要竞争还原当量，同时也可能重塑氢营养反硝化群落的结构和代谢。尚不清楚这些过程是否会影响环境相关SDZ胁迫下氢营养反硝化的长期稳定性，氧化还原条件如何调控TN和SDZ的去除，以及氢营养反硝化菌如何应对SDZ胁迫。这些知识空白限制了H₂-MBfR技术在RAS出水处理中的合理优化和广泛应用。解决这些问题构成了本研究相对于此前H₂-MBfR和抗生素胁迫下反硝化研究的新颖性，特别是在长期稳定性、运行限制和微生物响应方面。

为解决上述知识空白，本研究构建了H₂-MBfR系统，并选择SDZ作为模式抗生素，旨在：(i) 阐明SDZ胁迫下氢营养群落的反硝化稳定性；(ii) 探究电子供体竞争条件下TN和SDZ去除的条件；(iii) 揭示氢营养反硝化菌应对SDZ暴露时的群落重构及代谢功能的基因组潜力。本研究的发现有望为H₂-MBfR技术在RAS出水处理及其他低碳废水系统中的应用提供机制性见解和实践指导。

章节摘要

反应器启动与运行

本研究使用的MBfR如图S1所示。H₂通过浸入式膜组件扩散进入水中，该组件包含100根复合中空纤维（外径280 μm，内径180 μm，长度36 cm；型号MHF-200TL，三菱公司，日本）。由玻璃柱和溢流罐反应器组成的H₂-MBfR有效体积为260 mL。总膜面积和比膜面积分别为0.334 m²和1285 m²/m³。磁力搅拌器和循环泵（流量1.3 mL/s；Longer Pump，型号1515×，

H₂-MBfR中氢营养反硝化和SDZ去除的长期性能

为研究SDZ胁迫下的脱氮性能和氢营养体系中SDZ的去除效果，本研究构建了一个H₂-MBfR。进水中和出水中氮和SDZ浓度的变化如图1A和S2所示。在阶段Ⅰ运行期间，进水硝酸盐逐渐被去除，出水中亚硝酸盐积累率约为60%，总氮去除率约为40%（图1B）。出水pH为8.0–8.6（表1），表明

结论

本研究证明，H₂-MBfR在合成RAS出水中的环境相关SDZ浓度（200–400 μg/L）下能够维持稳健的总氮去除，在阶段Ⅴ（400 μg/L SDZ）稳态时TNR超过99%。宏基因组分析表明，这种功能韧性与协同的微生物响应有关，包括SDZ耐受型氢营养反硝化菌的选择性富集以及涉及信号转导、DNA

CRediT作者贡献声明

Zi-Yu Li：写作–审阅与编辑，写作–初稿撰写，方法学，调查研究，形式化分析，数据整理。Chun-Yu Lai：写作–审阅与编辑，写作–初稿撰写。Xu Guo：写作–审阅与编辑，写作–初稿撰写。He-Ping Zhao：写作–审阅与编辑，写作–初稿撰写，指导监督，资金获取，概念设计。

利益冲突声明

作者声明不存在可能影响本文所述工作的已知竞争性经济利益或个人关系。

致谢

作者感谢中国教育部基础学科和交叉学科突破计划（JYB2025XDXM9090）、国家自然科学基金委员会（NSF22325604，NSFU25A20583）以及浙江省重点研发计划（2025C02214）的支持。

Zi-Yu Li|Chun-Yu Lai|Xu Guo|He-Ping Zhao