不同类型的蓝细菌/真核藻类以及初始藻类与细菌的比例差异，影响了藻类-细菌共生体中抗生素抗性基因的空间分布和减少过程

《Journal of Hazardous Materials》：Distinct cyanobacteria/ eukaryotic algae types and varying initial algae-to-bacteria ratios drive the spatial partitioning and reduction of antibiotic resistance genes in algal-bacterial consortia

　　

摘要

本研究探讨了Bacillus licheniformis与Chlorella或Synechocystis联合体在协同去除污染物和减少抗生素抗性基因（ARG）方面的作用。以初始藻类与细菌细胞比为主要变量，我们评估了生长情况、微生物群落、污染物去除情况以及ARG在水相、藻类细胞和胞外聚合物质（EPS）层中的分布。结果显示，B. licheniformis提升了总藻类生物量和绝对光合色素的产生，而细胞比显著影响了单位生物量中的特定色素、蛋白质和多糖含量，表明它们具有不同的资源分配策略。这两种联合体都能高效去除营养物质，在1:3的低比例下表现最佳，这也差异化地塑造了微生物群落及其在可溶性（S-EPS）、松散结合（LB-EPS）和紧密结合（TB-EPS）EPS中的功能。ARG表现出明显的空间分布特性：在水相中，单一功能抗性基因显著减少，而多重耐药性和调控基因则富集。在不同组分的分布中，Chlorella在中间EPS层（LB-EPS > S-EPS > TB-EPS）中积累了ARG，而Synechocystis在内部层（TB-EPS > LB-EPS > S-EPS）中富集ARG，且其细胞内的ARG含量更高，Chlorella在ARG调控方面表现出更强的稳定性。这些发现表明，空间分配是决定藻类-细菌联合体中ARG命运的关键因素，为更安全的废水处理设计提供了指导。

引言

牲畜产业的迅速扩张导致了废水量不断增加，成为全球主要的环境问题。厩肥废水中含有高浓度的有机物、营养物质和新兴污染物，如果处理不当，会对水生生态系统和公共卫生造成严重威胁[1], [2]。其中，抗生素抗性基因（ARG）尤其受到关注，因为它们在常规生物处理过程中会持续存在并传播。因此，开发有效且安全的ARG减少技术已成为重要的研究重点。近年来，基于微藻的技术被认为是一种有前景的消除新兴污染物的方法[3], [4]。特别是微藻-细菌联合体具有多种优势，包括高效去除污染物、强大的代谢协同作用、系统稳定性以及成本效益，更重要的是，它们有望抑制ARG的传播，使其成为先进废水处理的理想选择[5], [6]。

尽管众多研究表明微藻具有缓解ARG污染的潜力，但关于其对ARG减少效果的研究结果并不一致。例如，Tang等人开发了一种由真核微藻Chlorella vulgaris和细菌组成的共生系统，对磺胺类药物抗性基因sul1的去除效率达到了97.2%，并得出微藻能有效抑制ARG传播的结论[7]。相比之下，Wang等人使用类似的Chlorella系统观察到EPS中ARG含量显著增加，这表明EPS更像是ARG的储存库而非消除场所[8]。最近，Li等人（2025年）的研究表明，在抗生素压力下，多糖在LB-EPS和TB-EPS中促进了ARG的富集，强调了EPS介导的吸附机制的重要性。然而，他们的研究仅关注了抗生素诱导的压力和单一真核微藻物种（Chlorella），未充分探讨操作因素（如藻类与细菌的比例）和不同藻类物种间的系统发育差异[9]。这些矛盾的结果反映了目前研究主要关注ARG总量或个别藻类物种的情况，而忽视了ARG在不同微环境（包括水体、藻类细胞和分层的EPS矩阵，即S-EPS、LB-EPS和TB-EPS）中的空间分布。此外，蓝细菌和真核微藻在细胞结构、代谢特性和EPS组成上存在根本差异，这些都可能影响ARG的分布和传播。由于蓝细菌缺乏核膜且在系统发育上更接近细菌，它们可能更容易促进ARG的转移。它们更高的光合效率和独特的胞外分泌物也可能增强ARG的减少效果[10], [11]。真核微藻的作用机制可能完全不同。另一个关键但尚未充分研究的因素是藻类与细菌的细胞比例，这一比例可能通过重塑微生物群落结构和改变EPS性质来调节ARG的动态。

这些局限性凸显了几个重要的知识空白：(i) ARG在水相、藻类细胞和不同EPS层中的空间分布；(ii) 各EPS层主要作为ARG的汇还是库；(iii) 蓝细菌和真核微藻系统中ARG分布的差异；(iv) 藻类与细菌细胞比例的变化如何影响ARG的行为。因此，我们提出以下假设：(1) 根据藻类类型，ARG在EPS层中的分布存在系统差异，蓝细菌由于结构上的相似性和系统发育关系，在更深的EPS层中富集更多ARG；(2) 藻类与细菌的比例通过影响微生物群落组成间接调节ARG的命运；(3) 真核微藻由于细胞复杂性和 compartmentalization（此处可能有误，应为“区室化”）更强，因此能更稳定地控制ARG的动态。

为了验证这些假设，我们构建了由真核微藻Chlorella pyrenoidosa或蓝细菌Synechocystis与Bacillus licheniformis共同培养的联合体。通过系统地改变藻类与细菌的细胞比例，评估了不同组分（包括水相、藻类细胞和EPS层）中的污染物去除效率、微生物群落动态、EPS特性以及ARG的空间分布和命运。通过对携带ARG的细菌、毒力因子和环境变量进行综合分析，确定了控制ARG行为的主要因素，并找到了安全有效废水处理的最佳藻类-细菌组合和细胞比例。这项工作填补了关于藻类类型和藻类与细菌比例对ARG调控影响的关键知识空白，为开发高效、稳定且环保的微藻-细菌废水处理技术提供了理论基础。

章节摘录

废水来源

废水样本来自中国天津一个奶牛场的氧化池，一次性采集。废水以8,000 rpm的转速离心10分钟以去除悬浮固体，然后使用未灭菌的上清液进行后续实验。废水的初始物理化学性质总结在表1中。

细胞浓度的测定

。Chlorella pyrenoidosa、Synechocystis和Bacillus licheniformis的初始细胞浓度通过相应方法进行测定

藻类生长：干重和光合色素含量

为了全面评估藻类-细菌联合体的光合色素生产力，将Chl-a、Chl-b和Car的含量归一化到相应的藻类-细菌生物量的总干重。这种归一化方法减少了将较高的绝对色素浓度仅归因于生物量增加的风险。然而，由于干重包括藻类和细菌的生物量，因此不可避免地会低估

结论

本研究系统评估了两种藻类和不同藻类与细菌比例对奶牛场废水中生物量产生、EPS特性、污染物去除以及微生物群落和ARG分布的影响。需要注意的是，未在菌株层面跟踪接种的Bacillus licheniformis菌株在非无菌废水中的定植和持续情况。

环境意义

本研究直接比较了两种不同藻类-细菌系统（Chlorella和Synechocystis）中ARG的空间分配行为。具体而言，Chlorella系统促进了中间层EPS（LB-EPS）中ARG的富集，而Synechocystis系统则导致深层EPS（TB-EPS）中ARG的优先积累。这两种截然不同的分布模式，结合单一功能抗性基因的减少和多重耐药性的富集

Shizhou Shen：资源获取和资金筹集。Trebuch Lukas：写作、审阅和编辑。Ke Liu：原始稿撰写、可视化、验证、软件使用、调查、数据分析、概念化。Keqiang Zhang：监督、项目管理和资金筹集。Han Wang：验证。Siyuan Min：调查。Yuang Cao：方法学研究。Jiahua Liu：验证。Xiaoyu Xu：方法学研究、调查。Suli Zhi：写作、审阅和编辑、监督、资源协调。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能会影响本文所述工作的财务利益或个人关系。

致谢

作者感谢以下机构的财政支持：天津市自然科学基金（项目编号25JCYBJC00320）；中国国家自然科学基金（项目编号42577460）；云南省基础研究计划（202601AT070059, 202301AT070245）；中央公益科学机构基础研究基金（项目编号1610022026022）。

作者名单：Ke Liu | Yuxi Gong | Suli Zhi | Siyuan Min | Xiaoyu Xu | Han Wang | Jiahua Liu | Yang Cao | Lukas Matthias Trebuch | Shizhou Shen | Keqiang Zhang中国农业与环境保护研究院，天津市300191，中国