《Journal of Environmental Management》：Mechanisms of combined tetracycline and sulfadiazine stress inhibiting nitrogen transformation in aerobic granular sludge: Insights from oxidative stress, energy metabolism and functional genes
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摘要本研究从结构损伤、氧化应激和分子调控的关联视角出发，阐明了抗生素如何通过"氧化应激-能量代谢-功能基因"级联机制抑制好氧颗粒污泥（AGS）的氮代谢过程。长期抗生素胁迫严重破坏了AGS的结构，导致颗粒边界模糊、表面出现裂纹和坍塌区域。作为主要应激响应，AGS持续增加胞外聚合
摘要
本研究从结构损伤、氧化应激和分子调控的关联视角出发，阐明了抗生素如何通过"氧化应激-能量代谢-功能基因"级联机制抑制好氧颗粒污泥（AGS）的氮代谢过程。长期抗生素胁迫严重破坏了AGS的结构，导致颗粒边界模糊、表面出现裂纹和坍塌区域。作为主要应激响应，AGS持续增加胞外聚合物（EPS）的分泌，通过吸附和屏蔽效应部分缓解了抗生素的毒性。然而，持续的毒性作用导致活性氧物种（ROS）水平比对照组高出160.2%。过量的ROS破坏了细胞的氧化还原稳态，抑制了氮转化关键酶（如AMO、NOR、NR、NIR）的活性，抑制幅度为22.4～31.9%，同时抑制了负责ATP合成的能量代谢酶，活性降低40.2%。此外，该氧化应激级联效应还延伸至核心碳代谢过程，几乎所有编码三羧酸循环（TCA）酶的基因均显著下调。TCA循环的抑制进一步切断了硝化与反硝化所必需的ATP及部分电子供体（如NADH和FADH2）的供应，形成了一个自我强化的抑制循环。总之，本研究证明抗生素通过明确的"氧化应激-能量代谢-功能基因"级联机制抑制AGS的氮转化过程。
引言
抗生素在人类医学和畜牧业中被广泛应用（Singh等，2024）。由于在生物体内吸收和代谢不完全，大量抗生素通过各种途径排放到环境中，对水生态系统构成潜在风险（Gunathilaka等，2023；Liang等，2025）。其中，四环素（TC）和对氨基苯磺酰胺（SDZ）因其持久性和生物蓄积潜力而在废水中频繁检出（Guo等，2025；Liu等，2022）。现场监测表明，不同废水来源中TC和SDZ存在明显的浓度梯度差异。市政废水中残留的TC和SDZ通常处于μg/L级别，而水产养殖、制药和医疗废水中含有高得多的抗生素负荷，个别残留物可达mg/L级别（He等，2021；Liu等，2024a）。在废水处理过程中，这些化合物可破坏微生物群落的结构和功能，抑制关键酶的活性，从而降低污染物去除效率（Lu等，2022）。这种不利影响在氮代谢过程中尤为显著（Li等，2023；Zhang等，2023）。氮代谢过程对于废水处理和遏制下游水体富营养化至关重要。
好氧颗粒污泥（AGS）凭借其结构紧凑、生物量截留能力强、抗冲击负荷性能优异以及能够同时去除有机物、氮、磷和抗生素等优势，已成为处理含抗生素废水的首选技术（Hamza等，2022；Liu等，2023）。先前的研究通过调查抗生素浓度对硝化和反硝化细菌的影响，或追踪AGS粒径和胞外聚合物（EPS）含量等指标的动态变化，提供了有价值的见解（Liu等，2024a；Xiao等，2024a；Yan等，2025）。已发表的结果表明，废水中痕量的TC（0.2 mg/L）对AGS的氮转化几乎无抑制作用，这归因于AGS对低剂量抗生素具有内在的强耐受性（Chen等，2015）。这种低剂量暴露未能引发明显的代谢紊乱，可能阻碍了对潜在抑制机制的系统阐明。相比之下，mg/L级别的TC（2和5 mg/L）使总氮去除效率分别从80.2%降至69.2%和65.1%（Chen等，2015）。类似地，长期暴露于2 mg/L SDZ导致氨氮去除效率显著下降10.9%，AGS平均粒径减少12.9%（Liu等，2022）。尽管先前的研究报道了若干有价值的发现，但抗生素抑制AGS系统中氮转化的潜在机制仍未得到充分阐明。一方面，大多数以往研究仅关注单一抗生素胁迫条件，难以反映实际抗生素污染废水的复杂性。另一方面，现有研究主要从污染物去除效率、微生物群落变化或污泥结构演化等孤立视角评估抗生素引起的氮抑制效应，鲜有研究综合整合氧化应激响应、能量代谢紊乱、电子传递受限和氮转化抑制等因素来阐明这些生物学过程之间的内在联系。因此，对这些相互关联过程的系统性理解仍显不足。特别是，TC和SDZ联合胁迫破坏氮转化的途径——涵盖AGS结构损伤、关键酶活性变化和功能基因表达——尚未得到全面阐明。
为弥补这一空白，本研究选取对氮转化具有显著抑制效应的TC和SDZ浓度（2～4 mg/L），以更好地揭示AGS的多维度响应。研究目标为：(1) 表征AGS形态、EPS含量和污染物去除性能的变化；(2) 阐明吸附和生物降解对TC和SDZ去除的贡献；(3) 揭示抗生素对氧化应激、能量供应和关键氮转化酶活性的影响；(4) 明确硝化、反硝化及三羧酸循环（TCA）相关基因的表达水平；(5) 建立抗生素抑制AGS氮转化背后的"氧化应激-能量代谢-功能基因"级联机制。本研究为优化基于AGS的含抗生素废水处理技术提供了重要见解。
章节片段
实验装置
采用实验室规模序批式反应器（SBR，R1）处理模拟TC和SDZ废水，并设置空白对照组（R0）。两个反应器均接种成熟稳定的AGS，平均粒径为1 mm。此处"成熟AGS"仅指形成良好颗粒聚合体的状态，而非在SBR运行下达到最大粒径的颗粒。具体而言，SBR直径为10 cm，高度为125 cm，工作容积为8 L。初始浓度
AGS的形态和理化特性
如图1a所示，R0和R1中的AGS在第0天粒径均相对较小。随着SBR运行的推进，两个系统中的AGS平均粒径均显著增加。至第30天，R0中的AGS保持完整光滑的形态，边界清晰，呈典型的淡黄色。相比之下，R1中的AGS边界模糊，淡黄色调明显变浅，这可能是由于抗生素抑制了特定色素的合成或改变了系统的氧化还原状态（Xiao等
结论
本研究阐明了TC和SDZ在60天暴露期间对AGS中氮转化过程的抑制机制。抗生素（2–4 mg/L）造成AGS结构损伤，而EPS分泌仅部分缓解了其毒性。抗生素使ROS水平升高160.2%，抑制氮代谢和能量代谢相关酶的活性22.4–40.2%，并下调TCA循环基因及核心功能基因（如amoA和narI）。这些效应共同形成了
CRediT作者贡献声明
刘文豪：撰写初稿、验证、软件、方法、调查。孙汝舒：撰写与审阅编辑、资源、调查。王贺：资源、调查。卢晓旭：资源、调查。魏小程：资源、调查。赵宇晓：资源、调查。徐海波：资源、调查。李艳：资源、调查。华东亮：撰写与审阅编辑、可视化、验证、监督、方法、概念构思。黄文立
利益冲突声明
作者声明不存在可能影响本文所述工作的已知的财务利益冲突或个人关系。
致谢
本研究得到山东省生物健康食品高值化开发利用技术创新中心（SDJSZX2025ZDRW04）、国家自然科学基金（5207100204）和山东省自然科学基金（ZR2026QC1465和ZR2025MS764）的资助。
刘文豪|孙汝舒|王贺|卢晓旭|魏小程|赵宇晓|徐海波|李艳|华东亮|黄文立
能源研究院，齐鲁工业大学（山东省科学院），山东省生物质气化技术重点实验室，济南，250014，中国
