《Bioresource Technology》：Triazine-induced extracellular polymeric substance disruption drives metabolic reprogramming and enhanced volatile fatty acid production in anaerobic sludge fermentation
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本研究发现，三嗪类抗生素在低浓度下可显著增强污泥厌氧发酵中挥发性脂肪酸（VFAs）的产率，最高达1771 mg COD/L（较对照组增加18.4倍）。机制分析表明，三嗪通过破坏EPS中的蛋白质结构，释放更多底物促进乙酸生成，同时引发微生物群落重组及代谢重编程，包括激活群体感应系统。这些结果揭示了抗生素在特定浓度下通过EPS介导的代谢重编程机制促进资源回收的潜在途径。
Jingyang Luo|Shumeng Yang|Qian Feng|Xiang Zou|Yang Wu|Feng Wang
教育部浅水湖综合调控与资源开发重点实验室，河海大学环境学院，南京 210098，中国
摘要
废活性污泥（WAS）中抗菌污染物的积累对厌氧发酵过程构成了挑战，其对挥发性脂肪酸（VFAs）产生的机制性影响仍不甚明了。1,3,5-三嗪（triazine）是一种广泛检测到的三嗪类抗菌剂，它以浓度依赖的方式增强了VFAs的产生，最大产量达到了1771 mg COD/L（比对照组增加了18.4倍）。产量的增加伴随着代谢方式的显著转变，从丙酸主导转变为乙酸主导（从38.7%增加到54.3%），这一变化是由细胞外聚合物物质（EPS），尤其是蛋白质的系统性破坏所驱动的。分子对接研究表明，三嗪通过氢键和疏水相互作用诱导了蛋白质的构象不稳定性和结构损伤。同时，三嗪胁迫下铵氮浓度的增加进一步证实了蛋白质的水解，为VFAs的产生提供了易于发酵的底物（尤其是乙酸）。高通量16S rRNA测序揭示了微生物群落的浓度依赖性重组，其特征是蛋白水解细菌（Petrimonas）和乙酸生产者（Anaerovorax）的富集，同时甲烷生成菌受到抑制。使用PICRUSt2进行的功能宏基因组分析显示，蛋白水解酶（例如EC:3.4.16.4）和乙酰辅酶A合成基因（例如PDHA）的表达上调，促进了蛋白质的水解和乙酸的生物合成。关键的是，三嗪胁迫激活了群体感应和双组分调控系统，luxS的表达增加了5.7倍，促进了代谢协调和抗逆性，而不是群落的崩溃。偏最小二乘路径建模证实，底物可用性（λ = 0.459）是VFAs积累的主要驱动因素，这一过程通过微生物群落的适应来实现（λ = 0.560）。这些发现揭示了抗菌胁迫如何通过EPS介导的代谢重编程来增强资源回收。
引言
污水处理厂（WWTPs）有效地去除了污染物，但不可避免地产生了大量的废活性污泥（WAS）。WAS中含有大量的可生物降解有机物，使其成为厌氧消化生产挥发性脂肪酸（VFAs，特别是乙酸）的宝贵原料，这些脂肪酸在生物能源、环境修复和化学生产中有着广泛的应用（Agnihotri等人，2022年；Owusu-Agyeman等人，2023年）。然而，复杂的成分和潜在的有害物质污染使得不当处理容易导致二次环境污染，从而增加了安全处理和资源回收的紧迫性（Liu等人，2024年）。药物、消毒剂和合成抗菌剂的广泛使用导致多种新兴污染物（ECs）通过农业径流、工业废水和生活污水不断进入WWTPs。其中，三嗪化合物这类含氮杂环化合物在农业化学品、树脂材料和药品中得到广泛应用（Chakravarthi等人，2016年；Czarnota-?ydka等人，2023年；Deng等人，2021年），其在废水中的浓度可达到0.24 mg/L（Suzuki等人，2021年；Zhu等人，2019年）。这些化合物具有优异的结构稳定性、广谱抗菌活性和低生物降解性，使其在环境中具有高度持久性，降解率低于14%（An等人，2017年；Xu等人，2013年）。加上它们对颗粒物质的强亲和力，这些特性使得它们优先分配到活性污泥中（分配率超过90%），而不是留在水相中。这种环境持久性令人担忧，因为它们能够破坏微生物膜并干扰关键代谢途径，从而对微生物群落施加选择压力（Shah等人，2014年）。鉴于厌氧发酵生产VFAs严重依赖于微生物活性，因此阐明累积的三嗪类化合物对厌氧发酵的影响至关重要。
细胞外聚合物物质（EPS）在维持微生物系统的稳定性中起着关键作用。特别是EPS中的蛋白质成分具有高度反应性，是化学结合的主要靶标，在污染物暴露时构成第一道屏障，也是最脆弱的部分。作为结构和功能基质，EPS保护微生物细胞免受有毒化合物的伤害，并介导物质传递和底物结合（Wang等人，2024年）。越来越多的证据表明，外源污染物与EPS成分结合，导致结构破坏，进而影响微生物的功能。例如，磺胺嘧啶与EPS成分结合并诱导氧化应激，从而抑制污泥发酵过程中的水解和酸生成（Liang等人，2025年）。尽管人们对ECs与有机物之间的相互作用越来越关注，但专门研究复杂污泥厌氧系统中ECs-EPS功能的调查仍然有限。特别是三嗪的具体结合模式和破坏途径及其对微生物功能的影响尚未探索，考虑到其在WAS中的高积累量和强抗菌活性，这是一个重要的知识空白（Fang等人，2023a；Zhang等人，2018年）。
与此同时，厌氧发酵本质上是微生物过程，包括四个连续的步骤：水解、酸生成、乙酸生成和甲烷生成（Pang等人，2023年）。ECs通过施加选择性的抗菌压力，抑制敏感菌群并促进耐药菌群的富集，从而驱动群落层面的功能转变，改变VFAs的产生谱型。重要的是，这些效应具有污染物特异性和菌群依赖性。抗生素抑制甲烷生成古菌，减少甲烷产量，同时增加VFAs的积累（Wu等人，2022年），而先前的研究发现，杀菌剂甲基异噻唑啉酮通过选择性地重塑细菌群落结构来增强VFAs的产生（Fang等人，2023b）。此外，ECs的暴露会破坏对维持代谢活动和在压力条件下保持群落稳定性至关重要的微生物适应过程。相反，适度的环境压力会刺激底物代谢并激活维持微生物功能的调控途径，表明厌氧菌群内部存在内在的自我调节机制。这些发现表明，ECs重塑了微生物代谢并扰乱了控制系统韧性的内在调控网络。然而，对三嗪诱导的微生物群落重编程及其相关调控反应的机制理解仍然有限，需要对其生态和代谢后果进行系统研究。
本研究调查了三嗪对WAS厌氧发酵生产VFAs的影响，并揭示了其潜在机制。首先，探讨了三嗪对VFAs产生效率的剂量依赖性效应。然后，分析了三嗪对EPS破坏和特定厌氧步骤动态变化的影响。随后，利用16S rRNA基因测序来表征微生物群落在三嗪暴露下的变化。最后，通过PICRUSt2分析预测了代谢功能，以阐明在三嗪胁迫下的代谢调控、适应机制和生态影响。这些发现加深了对污染物-微生物相互作用的理解，并揭示了一种以蛋白质为中心的代谢重编程机制，该机制在三嗪胁迫下促进了VFAs的产生。
WAS和三嗪的特性
WAS来自中国南京的一个厌氧-缺氧-好氧（A2/O）污水处理厂。通过2.0毫米不锈钢网过滤去除杂质后，污泥在4°C下自然沉淀24小时。WAS的主要特性如下：总悬浮固体（TSS）20.0 ± 0.2 g/L，挥发性悬浮固体（VSS）8.5 ± 0.1 g/L，pH 7.0 ± 0.1，总蛋白质6.0 ± 0.1 g/L，总碳水化合物1.3 ± 0.2 g/L。同时，三嗪（C3H3N3，97%，CAS编号：290–87-9）的含量为...
三嗪对WAS厌氧发酵过程中VFAs产生效率的影响
三嗪暴露以剂量依赖的方式显著增强了VFAs的积累（图1A）。在对照反应器（R1）中，VFAs的最大浓度仅为91.2 mg COD/L。然而，随着三嗪剂量的增加（0.25–2 mg/g TSS），VFAs的浓度分别增加到180.1、222.2、872.3和1771.4 mg COD/L，相对于对照组分别增加了1.0、1.4、9.5和18.4倍。特别是，在R4和R5中VFAs的产生量高于...
结论
本研究表明，三嗪通过增强VFAs的积累和改变酸生成谱型（从丙酸向乙酸）来改变WAS的厌氧发酵。EPS的破坏释放了丰富的蛋白质底物，使蛋白质成为主要的发酵原料。与此一致的是，蛋白水解细菌（如Petrimonas和Lutispora）得到富集，而甲烷生成菌受到抑制。蛋白水解代谢的增强加速了碳通量...
CRediT作者贡献声明
Jingyang Luo：写作 – 审稿与编辑，监督，资金获取，概念构思。Shumeng Yang：写作 – 审稿与编辑，初稿撰写，可视化，方法学，正式分析，数据管理。Qian Feng：写作 – 审稿与编辑，方法学，研究。Xiang Zou：写作 – 审稿与编辑，监督，方法学，概念构思。Yang Wu：写作 – 审稿与编辑，可视化，数据管理。Feng Wang：写作 – 审稿与编辑，监督，
利益冲突声明
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致谢
本工作得到了“国家自然科学基金（编号：52470146）、“江苏省自然科学基金（编号：BK20250189）、“中央高校基本科研业务费（编号：B250203008”以及“江苏省高等教育机构优先学科发展计划（PAPD）”的财政支持。
