低氯预处理能够帮助微藻降低 livestock 废水中多种目标污染物：重点研究通过改变宿主-微生物群落结构来抑制 Arcobilasterius rhodoporus（ARG）的活性

《Bioresource Technology》：Low–chlorine pretreatment enables microalgae to reduce multi–target pollutants in livestock wastewater: Focus on ARG attenuation via host–community shifts

　　

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  首次提出了化学-生物联合方法去除活性抗生素（ARGs），并优化了其处理条件。
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  使用低浓度NaClO（1 mg/L）和自隔离的S2菌时，达到了最佳的协同效应，处理效果比对照组（CK）提高了1.52倍。
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  去除率达到81.5%，化学需氧量（COD）减少了70.7%，活性抗生素的丰度降低了81.7%。
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  活性抗生素的减少主要是通过重塑细菌群落实现的，而非通过降解过程。

引言

在集约化畜牧业生产中，抗生素被广泛用于治疗和促进生长，这加速了抗生素抗性基因（ARGs）向周围环境的传播（Zhang等人，2018年）。畜牧废水常常含有多种ARGs（如β-内酰胺酶、四环素和磺胺类药物的抗性基因），其浓度范围约为10^6至10^8个/100毫升（Lin等人，2016年）。通过排放和再利用途径，这些ARGs可以进入当地水循环和食物链，导致农场周边污染，并对人类健康构成威胁（He等人，2016年；Wei等人，2011年）。传统的畜牧废水处理方法通常成本较高，去除效果不稳定，甚至可能有利于ARGs的持续存在或积累。相比之下，微藻处理作为一种低能耗、成本效益高的方法，能够同时去除氮和磷，并可能减轻ARGs的危害（Acién等人，2016年；Gong等人，2024年）。然而，微藻在ARGs动态中可能扮演双重角色：原核和真核微生物通过不同的生态和生化机制发挥作用。例如，微囊藻（Microcystis）释放的微囊毒素-LR可以通过抑制蛋白磷酸酶、增加膜通透性和诱导DNA损伤来重塑细菌群落并影响ARGs的转移（Ji等人，2024年）。相反，在抗生素压力下，普通小球藻（Chlorella vulgaris）可以招募特定的藻球细菌，增强宿主抗性，但也会使ARGs的丰度比周围水体高出多达47倍，从而形成水平基因转移的“热点”（Xue等人，2023年）。因此，虽然微藻可以减少某些ARGs，但在特定条件下也可能促进基因交换；这些效应的方向和程度取决于藻类种类和生态环境。明确不同藻类群（及其组合）在ARGs控制中的作用仍是一个重要的未解决问题。

氯化预处理是一种常用的消毒方法，它可以（1）破坏细胞膜和核酸，从而降解细胞外DNA并使某些细菌失活；（2）将复杂的大分子有机物氧化为更易被生物利用的形式，从而有利于后续的生物处理（Luo等人，2024年）。这些特性表明可能存在一种协同作用机制：“氧化失活 → 营养物质/物种调节 → 微藻-细菌降解和群落重组”，将氯化处理与微藻处理相结合可以有效地减轻复杂畜牧废水中的ARGs。然而，这一过程中的一些关键方面，包括氯化强度如何影响后续微藻的处理效果和ARGs的去除情况，尚未得到系统的评估。此外，原核和真核微藻（及其混合物）的不同作用机制，以及调节化学-生物系统中ARGs抑制的环境因素（如营养物质、有机物和重金属），也尚未完全明确。本研究通过开发一种针对奶牛场废水的氯化-微藻耦合处理工艺，明确研究了不同剂量梯度下的次氯酸钠（NaClO，1–300 mg/L）对真核小球藻（Chlorella pyrenoidosa, CP）、本土丝状蓝细菌（S2）及其不同比例混合物（1:1、1:2、1:3、2:1和3:1）的影响。通过整合宏基因组学和多变量生态分析（RDA/SEM），我们将藻类种类和环境因素（COD、氨氮和重金属）与ARGs及其宿主群落的变化联系起来。我们的目标是（1）量化氯化强度对后续微藻活性和ARGs结果的影响；（2）比较原核、真核微生物及其混合物在调控ARGs/宿主动态中的作用；（3）确定耦合过程中抑制ARGs的主要环境因素。我们还评估了处理过程中微藻生物质质量的变化，并讨论了对安全资源回收的影响。据我们所知，这是首次系统评估氯化强度和微藻类型对畜牧废水中ARGs控制的协同效应的研究，并找到了一个低氯操作窗口，在实现高效污染物去除的同时，使主要ARGs的总丰度降低了高达81.73%。

章节摘录

水样

实验用水样采集自中国天津的一个奶牛场的氧化池。样品首先通过四层纱布过滤以去除大颗粒杂质，然后进行离心过滤。得到的上层清液（非无菌状态）用于后续实验。

藻类菌株与培养

本研究中使用的Chlorella pyrenoidosa（FACHB-27，CP）购自中国科学院水生物研究所的淡水藻类收藏中心

干重

所有处理组中的干重（DW）均随时间增加（表1）。在对照组中，CK1-1和CK1-2组的第12天的干重最高（分别为0.66和0.63克/升），与其他对照组有显著差异。Chlorella pyrenoidosa（CP）与S2的混合培养表现优于单一物种对照组（CK-CP和CK-S2），这可能归因于资源利用的互补性、生态位分化以及两者之间的微环境调节

结论

本研究开发并验证了一种用于减少奶牛场废水中ARGs的耦合处理工艺，结合了NaClO预处理和微藻处理。结果表明，该联合处理方法使主要ARGs的总丰度降低了81.73%，这与细菌群落结构的显著变化相关，体现了“化学氧化-生物降解”的协同效应。这表明该工艺具有很好的实际应用潜力（详见补充材料）

CRediT作者贡献声明

徐晓宇：负责撰写初稿、软件开发、实验设计和概念构思。曹阳：数据整理和概念构思。支素丽：撰写、审稿和编辑、项目管理和资金申请。刘佳华：方法学设计和概念构思。Cheryl Marie Cordeiro：撰写、审稿和编辑、结果验证。Erik Sindh?j：撰写、审稿和实验设计。王涵：数据可视化。张克强：项目管理和资金申请。

Liu等人（2022年）。

利益冲突声明

作者声明没有已知的财务利益冲突或个人关系会影响本文的研究结果。

致谢

作者衷心感谢以下机构的财务支持：国家自然科学基金（NSFC）（项目编号：42577460）；天津市自然科学基金（项目编号：25JCYBJC00320）；天津市重点研发计划项目（项目编号：24YFZCSN00270）。

徐晓宇|曹阳|支素丽|刘佳华|Cheryl Marie Cordeiro|Erik Sindh?j|王涵|张克强