《Process Safety and Environmental Protection》：How gradient concentrations of fluoroquinolone antibiotics drive shifts in activated sludge systems: Insights into nitrogen removal, antibiotic resistance dissemination, and potential viral risks
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氟喹诺酮类抗生素（FQs）浓度梯度影响下活性污泥系统脱氮性能、微生物群落及抗生素耐药基因（ARGs）动态及病毒传播风险研究。摘要：通过50天序批式反应器（SBR）实验，评估了环丙沙星、恩诺沙星、氧氟沙星（0-2000 μg/L）对脱氮效率、污泥沉降性、ARGs丰度及病毒群落结构的影响。结果显示，高浓度（≥500 μg/L）显著抑制氨氮去除（降幅6.8%-8.1%）和污泥沉降性，伴随硝化细菌及功能基因丰度下降，同时触发ARGs富集（增幅217%-604%）和外排泵主导的耐药机制演变。病毒群落重构增强了耐药宿主与噬菌体的互作，可能加剧病毒传播风险。该研究建立了从工艺性能到微生物生态机制的证据链，为FQs废水处理系统的精准调控提供依据。
张志兰|张颖|朱启宇|钱百恒|刘志波|王欣|霍阳|张志若|霍明鑫
中国长春市东北师范大学环境学院，邮编130117
摘要
氟喹诺酮类抗生素（FQs）在废水中的动态变化需要系统地了解它们对活性污泥系统的浓度依赖性影响。本研究调查了三种典型FQs（环丙沙星、恩诺沙星、氧氟沙星）在逐步增加的浓度（0、10、100、500和2000 μg/L）下，对氮去除性能、微生物生态和生态风险的影响，实验持续了50天。结果表明，只有高浓度（500和2000 μg/L）的FQs显著抑制了NH??-N的去除效率（减少了6.8-8.1%），并恶化了污泥的沉降性能。宏基因组分析表明，这种恶化是由于硝化细菌和功能基因的丰度降低所致。高浓度FQs的暴露还使总抗生素抗性基因（ARGs）的丰度增加了217%至604%，并使外排泵成为主要的抗性机制。网络分析表明，水平基因转移促进了ARGs侵入功能基因组，形成了多宿主抗性网络。此外，这些FQs还重构了病毒群落，增强了以多重耐药潜在宿主为中心的病毒-宿主相互作用，从而加剧了病毒传播的风险。这些发现建立了从工艺性能到微生物生态机制的完整证据链，为废水处理系统中FQs的精确控制和风险预警提供了科学依据。
引言
氟喹诺酮类抗生素（FQs）占全球抗生素消耗量的近30%（Hamad等人，2010年）。与其他抗生素相比，FQs具有更稳定的分子结构，且耐降解，导致其在环境介质中的持久性、迁移性和积累性增强（Van Bambeke等人，2005年）。其中，环丙沙星（CIP）、氧氟沙星（OFL）和恩诺沙星（ENR）被认为是最具代表性的FQs（Tong等人，2011年）。CIP和OFL主要用于人类医学，而ENR主要用于畜牧业和家禽养殖（Wang等人，2024年；Huang等人，2026年）。大量研究表明，这三种FQs在全球废水处理厂（WWTPs）的进水区和出水区普遍存在，其浓度范围从ng/L到mg/L不等（Fick等人，2009年；Maia等人，2020年）。FQs的持续输入对WWTPs构成了双重威胁：不仅会损害污染物去除效果，还会将生物处理单元转变为抗生素抗性基因（ARGs）传播的热点，并改变病毒动态，从而加剧生态和公共卫生风险（Amorim等人，2014年；Sun等人，2021年；Tang等人，2024年；Yi等人，2017年）。因此，科学阐明不同浓度的FQs如何影响WWTPs的污染物去除性能和潜在生态风险具有重要意义。
活性污泥（AS）工艺仍然是现代废水处理的基石。然而，FQs会抑制其性能，研究表明它们会对污泥的沉降性和氮去除效率产生不利影响（Amorim等人，2014年；Yi等人，2017年）。污泥的沉降性主要由胞外聚合物物质（EPS）控制，这些物质影响微生物聚集体的物理化学性质（Liao等人，2001年）。在适度的FQs压力下，微生物通常会增强EPS的分泌作为保护反应以减轻细胞毒性效应。然而，在高浓度下，过量的EPS产生会导致絮体结构松散，从而影响沉降性能（Sheng等人，2010年）。除了物理沉降特性外，FQs还会干扰微生物的氮转化过程。例如，500 μg/L的CIP被报道会显著抑制反硝化作用，而2–10 mg/L的OFL会显著减少亚硝酸盐氧化细菌（NOB）的丰度，从而削弱硝化能力（Kong等人，2017年；Zhang等人，2019年）。值得注意的是，不同FQs对硝化过程的抑制阈值仍存在争议。虽然观察到ENR仅在100 μg/L以上才会显著抑制硝化作用，但CIP在低至20 μg/L的浓度下就表现出抑制效应（Nguyen等人，2019年；Rico等人，2014年）。因此，设定10、100、500和2000 μg/L的浓度梯度不仅涵盖了文献中报道的争议性抑制阈值，还模拟了潜在的冲击负荷情景。识别FQs对污泥沉降性和氮去除性能的浓度依赖性响应差异和关键阈值，将有助于更好地了解在抗生素冲击条件下的AS系统操作预警和精细调节。
AS系统不仅是污染物去除的关键屏障，也是抗生素抗性基因（ARGs）传播和病毒相关生态风险放大的热点（Shi等人，2021年；Tang等人，2024年）。AS系统内的紧凑空间组织和密集的微生物聚集体促进了遗传物质的频繁交换，从而加速了ARGs的传播（Slipko等人，2021年）。在FQs压力下，AS系统不仅选择性地富集了如Pseudomonas等耐药细菌，还通过质粒、转座子和其他移动遗传元件促进了ARGs的水平基因转移，形成了多宿主抗生素抗性网络（Zhao等人，2019年）。值得注意的是，即使在低浓度下，FQs也能促进耐药细菌的增殖和ARGs的传播（Tang等人，2024年；Yuan等人，2023年）。因此，阐明FQs暴露下微生物群落组成与ARGs分布之间的关联对于准确的风险评估至关重要。此外，病毒（特别是噬菌体）是AS微生物组的重要组成部分，在调节微生物群落结构和动态中起着重要作用（Brown等人，2019年；Chen等人，2021年）。最近的研究表明，FQs暴露会显著改变病毒群落的结构和丰度。例如，通过诱导细菌DNA损伤，FQs可能触发噬菌体从溶原性周期转变为裂解周期，增加病毒颗粒的释放并加剧宿主感染压力（Supina和Dennis，2025年）。这种病毒群落的破坏可能会在后续的污泥处理或资源回收过程中进一步加剧生态和健康风险。然而，在不同FQ类型和浓度梯度下病毒群落如何重塑，以及病毒-细菌关联是增强还是减弱，以及在统一操作条件下的关联变化，目前尚未得到充分研究。因此，阐明不同浓度梯度下病毒-宿主关联模式的变化及其相关生态风险对于风险识别和污泥系统的操作管理至关重要。
为了解决这些关键知识空白，本研究系统地研究了三种代表性FQs（CIP、OFL和ENR）对序批反应器（SBRs）运行性能和生态风险的影响，设计了四个浓度梯度（10、100、500和2000 μg/L）来模拟冲击负荷情景。具体目标是：（1）量化对氮和FQs去除性能的抑制效应，并阐明EPS与AS系统运行性能之间的关系；（2）识别关键硝化细菌和功能基因在FQs暴露下的响应机制；（3）跟踪浓度梯度上ARGs丰度和抗性机制的演变；（4）评估FQs对污泥微生物组中病毒传播风险的潜在影响。通过这种多维度评估，本研究旨在建立从工艺性能到微生物生态机制的完整证据链，为废水处理系统中FQs的精确控制和风险预警提供理论基础和科学支持。
部分摘要
污泥收集
污泥取自中国吉林省东南污水处理厂的曝气池。转移至实验室后，部分样本在-80°C下储存以进行初步DNA提取。SBRs在混合液悬浮固体（MLSS）水平为3800–4000 mg/L的条件下运行。
SBRs的设置和操作
设置了四个直径14 cm、高度40 cm的SBR系统，以模拟FQs暴露下的污水处理过程（图S1）。具体配置和操作细节如下：
SBRs的性能
我们使用SBRs评估了不同浓度FQs对氮去除（图1）和COD去除效率（图S2）的影响。结果表明，FQs对氮去除具有明显的浓度依赖性抑制作用。在低浓度（10和100 μg/L）下，氨氮去除率仅略有波动（减少了0.4%–2.6%），表明在这一范围内对氮去除功能的影响有限，其中100 μg/L可以视为一个
结论
本研究系统地阐明了FQs对AS系统的多级生态影响，发现FQs显著抑制了氮去除效率和污泥沉降性，100 μg/L在短期暴露下被认为是一个相对安全的阈值。FQs暴露不仅显著增加了总ARGs的丰度，还引发了抗性机制的结构转变，外排泵介导的抗性逐渐成为主导。值得注意的是，
未引用的参考文献
(Li, Zhang (2010))
CRediT作者贡献声明
张志兰：撰写——初稿、调查、正式分析、数据管理。张志若：资源获取、资金筹集。霍明鑫：监督、资源提供。王欣：概念构思。霍阳：撰写——审阅与编辑、项目管理、资金筹集、概念构思。钱百恒：数据管理。刘志波：概念构思。张颖：撰写——审阅与编辑、概念构思。朱启宇：撰写——审阅与编辑、数据管理。
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52422007）和吉林省科技发展计划（项目编号20220101182JC）的财政支持。
利益冲突
作者声明他们没有利益冲突。
