土霉素污染对湿地温室气体排放的动态效应：营养物质、溶解性有机质和微生物群落的协同调控作用

《Journal of Environmental Chemical Engineering》：Dynamic effects of oxytetracycline pollution on greenhouse gas emissions from wetlands: The synergetic regulatory roles of nutrients, DOM and microbiota

　　

摘要

土霉素 (OTC) 作为一种典型四环素类抗生素，常作为新污染物在湿地中被检测到，能够改变湿地系统的温室气体 (GHG) 排放。然而，其时间动态效应及潜在机制仍知之甚少。本研究通过无植物湿地微宇宙实验，评估了沉积物中两个水平 (50 和 500 μg kg^?1) 的 OTC 污染在短期 (30 d) 和长期 (80 d) 内对湿地 GHG 排放的影响，以及营养物、溶解性有机质 (DOM) 和微生物群落的协同调节作用。结果表明，OTC 在短期暴露期间显著刺激了 CO₂、CH₄ 和 N₂O 排放 (P?2 排放仍显著升高。随机森林分析显示，CO₂ 排放的增加主要与沉积物中 NO₃^--N、NO₂^--N^, DOC、溶解性总氮 (DTN)、类腐殖质和类蛋白质 DOM 组分以及 xylA 基因丰度的变化有关。短期 CH₄ 的增加主要与类腐殖质和类蛋白质 DOM 组分、沉积物 DOC、NO₃^--N 和 NO₂^--N 有关，而 N₂O 的增加与 nosZ 丰度、DTN 和 NO₃^--N 有关。研究发现表明，OTC 污染显著改变了湿地的营养物、DOM 和微生物特性，尤其是在短期暴露期间，随后显著增加了湿地的 GWP。本研究为新兴污染物胁迫下的湿地管理提供了科学依据。

引言

新兴污染物 (ECs) 普遍存在于各种环境基质中，并受到全球关注，因为它们通常具有持久性、生物累积性，并可能引发不确定的毒理学风险 [1,2]。抗生素是微生物代谢物或其化学衍生物，因能抑制细胞壁合成、破坏微生物代谢并抑制或杀灭致病菌而广泛应用于人类和兽医医学 [3]。然而，抗生素不能被生物体完全吸收，随后可能通过粪肥淋溶、医疗和养殖废水排放以及农业地表径流进入湿地生态系统，表现出强烈的环境难降解性，成为典型的一类 ECs [4]。抗生素输入可以改变湿地生态系统的结构和功能，并日益被视为生物地球化学过程的新兴干扰 [5,6]。研究发现，湿地中的抗生素会影响营养物去除并干扰附生微生物群落，从而损害湿地生态系统功能 [7]。

近年来，湿地温室气体 (GHG) 排放引起了越来越多的关注 [8]。接收污染水的人工湿地 (CWs) 通常是 GHG 排放的重要来源，其通量受多种因素调节，包括物理化学参数（如有机质和营养物的浓度及组成、pH 值和溶解氧 (DO)）、气候变量（如温度）以及包括群落结构、功能群活性和丰度在内的微生物特性 [8,9]。具体而言，湿地的 CO₂ 排放主要与生物呼吸和有机质分解有关。CH₄ 排放受产甲烷作用和甲烷氧化作用平衡的控制，这主要由湿地中的物理化学和微生物变量决定。N₂O 的产生和消耗受硝化 - 反硝化过程和微生物 N₂O 还原潜力的调节 [10,11]。有机碳和氮底物为微生物代谢提供主要资源，因此其数量和组成，尤其是溶解性有机质 (DOM) 的，可以直接影响湿地的 GHG 排放 [9,12]。以前的研究强调了 DOM 特性和微生物过程在重新湿润的泥炭地有机质分解和矿化中的重要作用，从而影响这些生态系统中的 CO₂ 和 CH₄ 产生 [13]。

有毒物质（如抗生素）可以通过干扰微生物群落结构和功能，特别是涉及碳氮循环的关键功能群，进而影响湿地 GHG 排放 [14]。在兽用抗生素中，OTC 值得特别关注，因为它广泛用于畜牧业生产，并在包括湿地系统在内的水环境中频繁被检测到，具有强持久性。在处理猪废水的 CWs 沉积物中记录了环境相关的 OTC 残留量为 37–81 μg kg^?1 [15]。最近的研究表明，抗生素可以对湿地 GHG 排放产生显著影响，但这些影响的方向和幅度随抗生素类型、污染水平和环境背景的不同而差异很大 [16,17]。研究发现，急性四环素干扰通过抑制 clade II nosZ 携带的 N₂O 还原菌，促进了土壤中 N₂O 的形成并抑制了 N₂ 的形成 [18]。OTC 污染重塑了反硝化群落和反硝化相关基因 [19]，并改变了淡水沉积物中甲烷氧化潜力和甲烷氧化菌群落 [20]，尽管这些发现尚未直接与 GHG 通量联系起来。在淡水沉积物中，抗生素混合物在 42 d 内促进了 CH₄ 产生，而微生物群落的转变只能部分解释观察到的响应 [21]。35 d 的沉积物培养进一步发现，抗生素诱导的 CH₄ 释放主要由沉积物化学参数的变化调节，强调了在解释抗生素污染对 GHG 的响应时需要整合环境和微生物调节因素 [22]。此外，抗生素进入环境后逐渐消散，报告称四环素抗生素的半衰期为 20.0–38.8 d [23]。由此产生的 OTC 持久性和生物有效性的时间变化可导致其对微生物过程和 GHG 排放的动态效应，突出了检查湿地 GHG 排放在不同污染阶段响应的必要性。然而，以前的研究主要集中在抗生素的短期效应、单一气体或微生物驱动因素，考虑营养物、DOM 和微生物特性在调节抗生素污染下湿地系统动态 GHG 排放中的综合作用的研究非常有限。这一研究空白限制了我们对不断增加的新兴污染物胁迫下湿地功能的理解 [24]。

在本研究中，建立了添加三个浓度梯度的 OTC 的湿地微宇宙，并进行了 80 d 的培养实验。目的是：(1) 调查抗生素 OTC 对湿地 GHG 排放的短期和长期影响；以及 (2) 通过对营养物、DOM 和微生物特性的综合分析，探索湿地 GHG 排放响应背后的潜在机制。本研究旨在为 OTC 污染对湿地动态 GHG 排放的影响及潜在机制提供新见解，为缓解此类影响提供依据。

章节摘要

实验设置

本研究从位于中国云南省昆明市 (102°46′16″E, 24°53′38″N) 的甸南人工湿地 (Dounan CW) 采集表层沉积物 (0–15 cm) 和上覆水，该湿地用于净化污水处理厂二级出水后的表面径流，以建立无植物湿地微宇宙。其物理化学特性见表 S1 和 S2。将不同剂量的 OTC 加入沉积物中并均质化。将 1 公斤 (湿重) 沉积物放入一个圆柱形

受 OTC 污染下湿地的 GHG 排放通量

湿地的 GHG 排放通量表现出显著的时间动态性，在短期阶段观察到明显较高的通量。OTC 污染导致整个实验期间 CO₂ 通量显著增加，尽管增加的幅度在短期期间显著更大 (图 1a; 图 S3)。CH₄ 和 N₂O 排放的显著增加主要出现在短期阶段，特别是在高 OTC 污染水平下。

结论

本研究证明，OTC 污染增加了无植物湿地微宇宙的 GHG 排放通量和 GWP，并观察到时间动态效应。OTC 污染改变了氮形态、DOM 组成和微生物群落特性，包括微生物多样性、群落组成和功能群，在短期阶段和高污染水平下观察到更强的效应。随机森林分析显示，CO₂ 排放主要与

CRediT 作者贡献声明

Xuecheng Wang: 写作 – 初稿，验证，方法论，形式分析。 Yanye Li: 写作 – 初稿，调查，数据整理。 Yang Li: 资源，方法论。 Lixia Wang: 资源，方法论。 Mingzhe Gao: 调查。 Deshou Cun: 写作 – 审查 & 编辑，验证，监督，方法论，资金获取。 Qichao Zhou: 写作 – 审查 & 编辑。 Junjun Chang: 写作 – 审查 & 编辑，验证，项目管理，方法论，构思。

利益冲突声明

作者声明，他们没有已知的竞争财务利益或个人关系，这些关系可能会影响在本报告中所述的工作。

致谢

作者感谢来自 国家自然科学基金 (32360315)、云南省河湖网生态保护和资源利用重点实验室 (No. 2025YKL102)、云南省科技计划项目 (202601CI070130) 以及 云南大学研究生科研创新基金 (2026Y0220, ZC-24249557) 的资金支持。Deshou Cun 博士获得了 云南振兴人才支持

Xuecheng Wang|Yanye Li|Yang Li|Lixia Wang|Mingzhe Gao|Deshou Cun|Qichao Zhou|Junjun Chang

教育部西南跨境生态安全重点实验室，生态与环境科学学院，云南大学，昆明，650091，中国