Cimetidine（西咪替丁）的生物转化：由Chlamydomonas sp. SI-16中的CYP450酶系驱动的解毒过程以及固定化光生物反应器的验证

《Journal of Hazardous Materials》：Biotransformation of Cimetidine by Chlamydomonas sp. SI-16: CYP450-Driven Detoxification and Immobilized Photobioreactor Validation

　　

摘要

西咪替丁（CIM）是一种广泛使用的组胺H₂受体拮抗剂，由于其在临床上的广泛应用以及在传统废水处理中的难以去除，已成为一种新兴的全球性污染物。本研究从城市废水中分离出一种具有优异CIM耐受性的本地微藻株Chlamydomonas sp. SI-16，并系统地研究了其生物转化潜力。该菌株在初始CIM浓度分别为1、5和10毫克/升的情况下，降解率分别为83.3%、82.4%和82.1%。CIM暴露（10毫克/升）显著上调了藻类的抗氧化酶活性和胞外聚合物物质的分泌，激活了细胞防御系统。细胞色素P450（CYP450）被确定为CIM生物转化的关键驱动因子，这一点通过酶学抑制实验和稳定的分子对接相互作用得到了验证。在实际的城市废水中，该藻类系统在24天内实现了95.5%的CIM去除率（而非接种对照组的66.0%），Caenorhabditis elegans试验也证实了转化产物的生态毒性显著降低。固定化在生物绳上的光生物反应器也实现了78.6%的CIM稳定去除率，证明了其工程可行性。作为首次系统报道CYP450介导的CIM降解和环境微藻解毒的研究，这些发现为废水处理中抗溃疡药物的生物催化修复提供了工程上可行的策略。

引言

由于药品化合物，尤其是组胺H₂受体拮抗剂西咪替丁（CIM）的广泛临床使用，它们已成为全球城市废水和地表水中的新兴污染物[1]。由于其较低的代谢率（>60%以原形排出），CIM在传统的生物处理过程中去除效果较差[2]，[3]，导致其在水环境中持续存在。据报道，地表水中的CIM浓度范围为0.5至1338纳克/升[4]、[5]、[6]，而在饮用水源中发现的浓度为200-300纳克/升[8]。长期低剂量暴露可能带来潜在的生态风险，包括干扰水生生物的内分泌系统并促进抗菌素的抗性。例如，Lee等人[9]报告称，CIM会扰乱雄鱼的性激素平衡，并在雌鱼中诱发间性生殖腺。因此，鉴于CIM的持久性和生态毒性，迫切需要先进的处理策略来减轻其环境风险。

为了解决CIM的顽固性问题，当前的研究主要依赖于能耗较高的高级氧化过程（AOPs），尽管这些过程效率很高，但常常会产生有毒副产物，并且运营成本较高。基于TiO₂的光电催化氧化、过氧单硫酸盐（PMS）介导的非自由基直接氧化以及微波辅助光催化等技术显示出高效的降解性能[10]、[11]、[12]。然而，AOPs有一个关键缺点：它们可能产生具有未知甚至比原始化合物更高毒性的转化产物（TPs）。例如，Buth等人[13]发现，虽然氯化能有效转化CIM，但其主要副产物（如氯化咪唑衍生物）的生态毒性显著增加。同样，Sudarsh等人[14]指出，传统的光催化过程往往未能完全矿化废物，并可能在废水处理过程中形成有毒转化产物。此外，传统AOPs的实际应用受到其对羟基自由基（·OH）生成的依赖限制，这需要大量外部能量输入或化学氧化剂[15]、[16]。鉴于有毒副产物的生成和不可持续的能源需求，迫切需要环境友好且实际可行的修复策略来处理CIM。

相比之下，微藻介导的生物修复提供了一种绿色且可持续的替代方案，越来越受到废水处理的关注[17]、[18]。这种方法利用太阳能，固碳，并表现出优异的环境兼容性。先前的研究表明，微藻可以通过酶促转化和胞外聚合物物质（EPS）的吸附等方式有效降解各种新兴污染物，包括抗生素（如磺胺甲噁唑、土霉素）和抗病毒药物（如利巴韦林）[19]、[20]、[21]。重要的是，最近的进展表明，在藻类废水处理过程中积累的EPS和生物质可以作为生物资源进行开发利用（如生物絮凝剂、生物聚合物），从而提高整个过程的可持续性[22]。作为药物生物降解的典型模型属，Chlamydomonas对各种顽固污染物表现出优异的耐受性和降解能力[23]。然而，关于微藻降解抗溃疡药物（如CIM）的知识仍有显著空白。值得注意的是，以前没有研究使用Caenorhabditis elegans来评估微藻处理后的CIM溶液的解毒效果。此外，大多数现有工作使用的是在理想化条件下的实验室标准藻株，经常忽略了环境来源藻株在复杂实际废水基质中的表现和工程潜力[24]、[25]。微藻的细胞色素P450（CYP450）是药物氧化生物降解的关键I相酶[26]。在分子层面上，尤其是CYP450的作用仍不明确[27]、[28]、[29]。为了填补这些关键空白，本研究重点在于分离能够高效降解CIM的本地菌株，并阐明其分子解毒机制。

因此，本研究从识别新兴污染物风险开始，通过生物降解性能和生理适应性研究，进一步阐明CYP450驱动的解毒机制，最终验证固定化光生物反应器的工程可行性。为此，追求了三个核心目标：（i）表征不同CIM浓度下Chlamydomonas sp. SI-16的去除动力学、生理反应和环境调节；（ii）阐明CYP450在CIM解毒中的作用，并使用Caenorhabditis elegans直接验证解毒效果；（iii）开发固定化在生物绳上的光生物反应器，并评估其在实际城市废水中的稳定CIM去除性能。总体而言，这项工作首次系统地证明了微藻对CIM的解毒效果，并为废水处理中的抗溃疡药物提供了一种工程上可行的生物修复策略。

章节摘录

藻株和培养条件

藻株Chlamydomonas sp. SI-16是从中国合肥的Xiatang污水处理厂（典型的城市污水处理厂）分离出来的。使用BG11培养基进行纯化和培养，其组成在表S1中总结。该菌株通过反复稀释培养在固体BG11培养基上纯化，并通过18S rRNA基因测序鉴定为Chlamydomonas sp. SI-16。无菌培养在BG11培养基中维持，光照时间为12小时/天

CIM的去除和动力学

本研究评估了从环境中分离出的Chlamydomonas sp. SI-16对抗溃疡药物CIM的生物转化能力。如图1a所示，在24天的实验过程中，Chlamydomonas sp. SI-16分别在1、5和10毫克/升的初始浓度下去除了83.3%、82.4%和82.1%的CIM。值得注意的是，去除效率随初始浓度的增加而略有下降，这与微藻处理污染物的饱和阈值一致。

结论

首次证实，从废水中分离出的藻株Chlamydomonas sp. SI-16能有效降解抗溃疡药物CIM。生物降解是主要的去除途径，这一过程伴随着EPS分泌等多方面的防御机制，以减轻细胞压力。分子对接模拟验证了CIM在微藻CYP450活性口袋内的稳定结合，反应基团精确地定位在催化中心，从而建立了分子机制

环境影响

本研究提出了一种创新且可持续的生物修复方法，用于处理受CIM污染的城市废水。通过使用从活性污泥中分离出的本地微藻株Chlamydomonas sp. SI-16，实现了CIM的有效生物转化、真正的解毒以及有机物的同时降解。CYP450驱动的降解系统产生了低毒性的转化产物，而固定化在生物绳上的光生物反应器显示出了稳定性

CRediT作者贡献声明

Kang Li & Jun Liu & Yongtao Cheng；实验设计、大部分实验操作、数据分析及原始草稿撰写。Chenxi Zhou & Kang Shan；实验执行。Chuanyue Peng；提供分析工具。Wenjing Yan；写作审查与编辑。Min Zuo & An Xu & Ying Liu；提出思路并共同撰写草稿。

CRediT作者贡献声明

Jun Liu：写作 – 原始草稿，方法论设计。Ying Liu：监督，方法论设计，实验研究。An Xu：监督，资源协调，方法论设计。Kang Li：写作 – 原始草稿，实验研究，数据管理。Chuanyue Peng：软件开发，实验研究。Kang Shan：实验研究，形式分析。Min Zuo：监督，资金筹集。Wenjing Yan：软件开发，实验研究。Chenxi Zhou：实验研究，形式分析。Yongtao Cheng：写作 – 原始草稿，监督。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能会影响本文研究的财务利益或个人关系。

致谢

本研究得到了中国国家自然科学基金（项目编号62476014和62433002）的支持。本研究还得到了安徽省重点研发计划（2023t07020004）的资助。

Kang Li|Jun Liu|Yongtao Cheng|Chenxi Zhou|Kang Shan|Chuanyue Peng|Wenjing Yan|Ying Liu|An Xu|Min Zuo<中国科学技术大学环境科学与光电技术学院，合肥>