《Journal of Water Process Engineering》：Binding behavior of dissolved organic matter derived from
Microcystis aeruginosa with oxytetracycline at different growth phases: Multiscale characterization and DFT calculations
编辑推荐：
•衰亡期的藻源溶解性有机物（ADOM）比指数生长期表现出更强的土霉素（OTC）结合亲和力。•类蛋白物质是总结合贡献的主要来源；类腐殖质物质表现出更高的结合亲和力。•FTIR峰位移揭示了O?H、N?H、CO、芳香C?H和C?O是ADOM-OTC的主要结合位点。•DFT分析表明，
- •
衰亡期的藻源溶解性有机物（ADOM）比指数生长期表现出更强的土霉素（OTC）结合亲和力。
- •
类蛋白物质是总结合贡献的主要来源；类腐殖质物质表现出更高的结合亲和力。
- •
FTIR峰位移揭示了O?H、N?H、C
O、芳香C?H和C?O是ADOM-OTC的主要结合位点。
- •
DFT分析表明，随着ADOM芳香性的增加，主导作用从氢键转变为范德华力和π-π堆积。
引言
近年来，抗生素在全球医疗保健和畜牧行业中得到广泛应用，因其具有较高的成本效益和抗菌效果[1]。随着全球抗生素使用量的持续上升，大量抗生素及其代谢物通过各种途径不断释放到水环境中[2]。监测数据表明，传统污水处理工艺对典型抗生素的去除率相对较低，仅为53%至78%，处理后的出水仍可检测到数十至数百纳克每升的残留浓度[3]，[4]。因此，污水处理厂已成为抗生素向水体扩散的关键节点。在此背景下，基于微藻的技术因其环境相容性和较低的二次污染风险，已成为抗生素废水处理的研究热点[5]。然而，现有研究主要关注微藻对抗生素的直接去除过程，如生物吸附和生物降解，而对微藻代谢和细胞裂解释放产生的藻源溶解性有机物（ADOM）所发挥的复杂作用认识不足。这一知识缺口不仅限制了基于微藻技术在实际抗生素污染治理中的性能评估和工艺优化，还对生态安全和公共健康构成风险。
ADOM是微藻与抗生素相互作用中的关键活性介质。其分子结构富含羧基、羟基和氨基等极性官能团，可通过络合和吸附与抗生素形成结合复合物，从而改变抗生素的生物利用度及环境中的迁移与转化行为[6]，[7]，[8]。目前的研究倾向于将ADOM视为静态的均质体，仅用溶解性有机碳（DOC）或总荧光强度等宏观指标来表征，而忽略了其化学组成在不同藻类生长阶段（指数生长期、稳定期和衰亡期）的动态演变。在指数生长期，ADOM中丰富的类蛋白物质主要通过疏水相互作用和氢键与抗生素（如四环素类）结合[9]，[10]。然而，随着微藻进入稳定期和衰亡期，ADOM的化学组成发生变化，积累更多芳香性更强、富含羧基等负电基团的类腐殖质组分[11]，[12]。尽管这些组分的疏水性较低，但它们可通过静电相互作用和π-π堆积等替代机制与抗生素结合[7]，[13]。在实际的微藻处理系统中，ADOM化学组成的动态演变导致其与抗生素的相互作用机制相应变化，包括结合常数与结合位点的变化[14]，[15]。因此，阐明ADOM化学组成在不同生长阶段的分子水平演变，并明确该演变如何动态调控其与抗生素的相互作用机制，是实现基于藻类水处理技术精准控制的关键前提。
尽管对ADOM组成及其与抗生素的结合相互作用认识日益增加，但大多数现有研究的机理分辨率仍然有限。包括EEM-PARAFAC在内的光谱方法可以快速识别结合过程中涉及的荧光组分和官能团，但无法解析观察到的结合行为所涉及的分子水平结构变化或明确的相互作用途径[16]，[17]。在分子水平上，ESI-FTICR-MS可以解析溶解性有机物的精细组成特征，如芳香性、不饱和度和含氧基团[18]，[19]。在电子尺度上，DFT计算可以量化结合能并揭示驱动ADOM与抗生素之间结合的非共价相互作用性质[20]。然而，这些高分辨率工具在以往研究中大多被单独应用。很少有研究将ESI-FTICR-MS分子表征与DFT模拟相结合，系统地阐明ADOM与抗生素的结合机制在不同生长阶段的变化。因此，将光谱获得的宏观结合观察与质谱提供的分子组成证据以及理论计算得出的机理见解相关联，可以进一步揭示ADOM与抗生素在不同生长阶段的结合机制。
本研究旨在阐明藻源溶解性有机物（ADOM）与抗生素之间的结合机制，重点关注这些机制在不同微藻生长阶段的动态演变。为此，选择了一种典型的蓝藻（铜绿微囊藻，Microcystis aeruginosa）和一种代表性抗生素（土霉素，OTC）作为模型体系，重点考察两个关键生长阶段：指数生长期和衰亡期。通过整合紫外-可见光谱、激发-发射矩阵（EEM）荧光光谱和高分辨质谱（ESI-FTICR-MS），系统表征了铜绿微囊藻在指数生长期和衰亡期释放的ADOM的组成和结构动态变化。此外，采用络合建模和二维相关光谱（2D-COS）分析，定量评估了不同生长阶段ADOM组分对OTC的结合亲和力和结合常数。这些实验发现通过理论计算在电子结构水平上进一步得到佐证和解释，从而为提高废水处理系统中抗生素去除效率提供理论支持。
章节摘要
藻类培养与ADOM提取
本研究所选用的模式生物为铜绿微囊藻，因为它是全球富营养化淡水中最常见的水华形成蓝藻之一，已被广泛用作藻源溶解性有机物及其与有机污染物相互作用研究中的代表性物种。该菌株购自中国武汉水生生物研究所淡水藻类培养物保藏中心。随后在BG-11培养基中培养40天。
不同生长阶段ADOM光谱特征的变化
随着培养时间的延长，SUVA254从约0.124增加到0.167，SUVA260从约0.128增加到0.169（从指数生长期到衰亡期），表明疏水性和芳香性持续增强（图S2）。E2/E3比值从约18.6降至9.1，表明分子量增大。在不同阶段，ADOM表现出强烈的色氨酸物质荧光（峰T）。随着藻类进入不同阶段……
结论
本研究在实验室控制条件下，探讨了铜绿微囊藻在不同生长阶段释放的ADOM的动态变化及其与OTC的结合行为。采用EEM和ESI-FTICR-MS表征了ADOM的组成演变，确认随着培养进行，ADOM从类蛋白物质向类腐殖质物质转变。在指数生长期和衰亡期，ADOM均表现出对OTC的强结合能力。类蛋白物质……
CRediT作者贡献声明
王鑫：写作 – 审阅与编辑，写作 – 初稿，可视化，调查。郭颖惠：写作 – 审阅与编辑，写作 – 初稿，可视化，调查。彭博：验证，监督，项目管理，资金获取，概念化。廖晶甘：可视化，调查。李婷婷：可视化，调查。罗雅岚：可视化，调查。曹维诚：可视化，方法论。刘耀军：验证，监督，……
利益冲突声明
所有作者声明不存在利益冲突，也没有其他关系或活动可能影响所提交的工作。
致谢
本研究得到了国家自然科学基金（42407538）和湖南省科技创新计划（2025RC3143）的资助。
王鑫|郭颖惠|彭博|廖晶甘|李婷婷|罗雅岚|曹维诚|刘耀军|聂晓东|李忠武
