低浓度环丙沙星对序批式反应器脱氮性能、酶活性、微生物群落及抗生素抗性基因的长期影响

《Bioresource Technology》：Long-term effect of low ciprofloxacin concentration on nitrogen removal performance, enzymatic activity, microbial community and antibiotic resistance gene of sequencing batch reactor

　　

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  长期暴露于100 μg/L环丙沙星条件下，氮转化速率降低。
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  环丙沙星的长期暴露逐渐抑制关键酶活性。
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  长期环丙沙星胁迫下，活性氧（ROS）和抗氧化酶活性升高。
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  长期环丙沙星胁迫显著改变了微生物多样性和丰度。
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  三羧酸循环受损驱动了与氮代谢之间的电子竞争。

引言

抗生素广泛用于疾病预防、细菌感染治疗、畜牧业、水产养殖和农业领域。由于人体和动物摄入的抗生素吸收和利用不完全，大多数抗生素或其代谢产物通过粪便和尿液排入生活污水、畜禽废水和水产养殖废水中（Hassan等，2026；Wei等，2026）。此外，医疗和制药废水中也含有不同浓度的抗生素（Brillas，2026）。抗生素的存在因其潜在的生态毒性而可抑制微生物的生长和活性。同时，抗生素的长期暴露会诱导抗生素抗性基因的产生，从而对微生物群落造成潜在威胁（Chen等，2025）。

环丙沙星是一种高效广谱氟喹诺酮类抗生素，由于其广泛应用，已成为生活污水、医院废水、畜禽废水和水产养殖废水中最常被检测到的抗生素之一（da Silva Bruckmann等，2025）。环丙沙星的短期暴露可能不会对生物废水处理系统产生急性抑制效应（Yi等，2017）。然而，环丙沙星的长期胁迫会破坏微生物群落并抑制功能微生物活性，导致污染物去除性能下降（Ma等，2022）。已有报道证实，环丙沙星的长期暴露会抑制硝化和反硝化过程并改变微生物群落（Xiao等，2024；Yi等，2017）。此外，随着环丙沙星浓度的增加，厌氧膜生物反应器的有机物去除性能和产甲烷活性逐渐下降（Mai等，2018）。

众所周知，氮去除性能由硝化速率和反硝化速率共同决定。硝化速率与氨单加氧酶（AMO）和亚硝酸盐氧化还原酶（NXR）相关，反硝化速率则与硝酸盐还原酶（NR）和亚硝酸盐还原酶（NIR）相关（Yu等，2019；Zhang等，2023）。抗生素胁迫可直接抑制AMO和NXR的活性，同时下调其编码基因的表达（如amoA和nxrB），从而导致硝化速率下降（Chu等，2024）。类似地，抗生素胁迫可抑制NR和NIR的活性并下调反硝化功能基因的表达（如narG、nirS和nosZ），导致反硝化速率降低（Chu等，2024）。在抗生素胁迫下，酶活性的抑制和功能基因丰度的降低共同构成硝化和反硝化速率下降的直接驱动力。然而，目前针对长期暴露于低浓度环丙沙星条件下，系统评估生物反应器中氮转化速率、关键酶活性和氮去除相关功能基因表达的研究仍十分有限。

在正常环境条件下，废水生物处理系统中活性氧（ROS）的生成与抗氧化酶活性之间存在动态平衡（Aribisala和Sabiu，2022）。在正常的微生物代谢过程中，低水平的ROS持续产生，而抗氧化酶包括超氧化物歧化酶（SOD）和过氧化氢酶（CAT）能够及时清除ROS，使胞内ROS浓度维持在不对细胞造成危害的阈值以下（Zhang等，2022a；Zhang等，2022b；Shi等，2024）。抗生素可导致废水生物处理系统中ROS生成量的增加（Ma等，2020；Ma等，2025）。ROS生成量的增加可能与抗生素分子干扰微生物电子传递链有关，导致泄漏电子与氧气反应生成活性氧（Fan等，2025）。当ROS生成速率超过抗氧化系统的清除能力时，氧化应激会直接损伤与氮代谢相关的功能基因（如amoA、nxrB、narG和nirS）的DNA，下调其转录表达并抑制关键酶活性，从而导致硝化和反硝化速率下降。在长期抗生素胁迫下，废水生物处理系统中残留抗生素的积累通过持续的选择压力直接驱动抗生素抗性基因（ARGs）的富集和传播，同时通过诱导ROS爆发引发微生物氧化损伤，促进基因突变和水平基因转移（Fan等，2025）。因此，研究长期暴露于低浓度环丙沙星条件下，ROS积累、抗氧化酶响应、抗性基因增殖、微生物群落演替和生物反应器氮去除之间的内在关联具有重要意义。

本研究的目标聚焦于：（a）调查长期暴露于100 μg/L环丙沙星条件下序批式反应器（SBR）的氮去除性能、氮转化速率及其相应的酶活性；（b）评估长期环丙沙星胁迫下ROS的产生和抗氧化酶活性；（c）探讨长期环丙沙星胁迫下微生物群落演替以及氮代谢相关关键功能基因和酶酶活的响应；（d）探究碳代谢、电子传递和抗氧化途径对长期环丙沙星胁迫的响应；（e）阐明长期环丙沙星胁迫下抗性基因的富集和传播。

章节摘要

实验装置和合成废水

本研究采用了一台实验室规模的SBR，其内径为14 cm，高度为55 cm（详见补充数据）。SBR的容积交换比和水力停留时间分别为50%和16 h。SBR的一个运行周期包括进水（5 min）、好氧期（5 h）、缺氧期（140 min）、沉淀（0.5 h）和排水（5 min）。好氧期和缺氧期的溶解氧分别大于2 mg/L和小于0.5 mg/L。混合液通过磁

长期环丙沙星胁迫下SBR的运行性能

在长期暴露于100 μg/L环丙沙星条件下，评估了SBR的有机物和氮去除性能（详见补充数据）。在第1至第20天未添加环丙沙星的条件下，COD和NH₄⁺-N的去除效率分别为96.86 ± 2.14%和98.80 ± 1.05%。出水NO₂^?-N和NO₃^?-N分别为接近0和4.98 ± 0.11 mg/L，表明SBR具有良好的污染物去除性能。与0 μg/L环丙沙星相比，COD去除

结论

长期暴露于低浓度环丙沙星导致氮转化速率及其相应的酶活性降低。活性氧（ROS）的生成被升高的抗氧化酶活性所清除。在不同运行时间下，微生物多样性和丰度发生了显著变化。 在长期环丙沙星胁迫下，氨氧化细菌（AOB）的相对丰度下降。部分硝酸盐氧化细菌（NOB）的相对丰度随运行时间的延长而降低，而

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梁硕：撰写——原稿，正式分析，数据整理。靳瑞杰：正式分析，数据整理。褚广宇：撰写——审阅与编辑，研究方法。高德：正式分析，数据整理。王佳莹：调查研究，数据整理。李卫东：数据整理。冯朝宇：正式分析。高梦春：撰写——审阅与编辑，监督，项目管理，资金获取，概念构思。

未引用参考文献

Chen等（2021）。

利益冲突声明

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致谢

本工作得到了中国中央高校基本科研业务费专项资金（编号：201964003）的支持。

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