黄铁矿介导的抗生素转化与抗生素耐药基因代谢在循环堆叠混合人工湿地中的过程

《Journal of Hazardous Materials》：Pyrite-mediated antibiotic transformation and antibiotic resistance gene metabolism in recirculation stacking hybrid constructed wetlands

　　摘要本研究阐明了添加黄铁矿作为功能基质的循环叠合复合人工湿地（RSHCWs）中抗生素去除机制和抗生素抗性基因（ARGs）衰减途径。研究运行了三组不同黄铁矿含量的中试规模RSHCWs，以处理添加磺吡啶（SPD）、左氧氟沙星（OFX）和土霉素（OTC）的污水。所有系统对抗生素的去除效率均很高（SPD>92%，OFX>85%，OTC>95%），对ARGs的去除率>90%。黄铁矿的添加显著增强了抗生素和ARGs的吸附。质量平衡分析表明，降解/转化是抗生素去除的关键过程。黄铁矿增强了基质吸附，促进了相对稳定的络合物形成，并促进了非生物氧化转化和较小分子量转化产物的形成。主要转化途径包括羟基化、键断裂、脱羧、脱甲基和取代反应。微生物网络整合分析揭示，ARGs的衰减主要受黄铁矿介导的吸附、氧化损伤抗药细菌、抑制抗药细菌以及通过加剧种间微生物竞争来抑制水平基因转移的驱动。黄铁矿进一步改变了细菌多样性，富集了耐应激类群，削弱了ARGs与其潜在宿主细菌之间的关联。总体而言，本研究强调了黄铁矿在增强抗生素降解和限制ARGs扩散方面的双重功能。引言随着人类活动的持续进行，抗生素已被广泛使用。然而，其不完全代谢并通过排泄进入水体的情况已成为一个亟待解决的紧迫问题[1]。同时，这种情况往往容易引发抗生素抗性基因（ARGs）[2]和抗生素抗性细菌（ARBs）[3]的出现，从而降低抗生素的治疗效率，并可能引发全球公共卫生危机[4][5]。从已有研究，包括我们之前的试验[6]可知，磺吡啶（SPD）、左氧氟沙星（OFX）和四环素（OTC）是污水中浓度较高的三种抗生素[7][8][9]。OFX是最广泛使用的氟喹诺酮类抗生素（FQs）之一，在水环境中被频繁检出[10]。报告显示，城市污水处理厂（WWTPs）出水中的OFX浓度可高达100 μg·L?1[11]。Cui等[12]调查了中国广东省珠三角地区四个典型WWTPs的废水和受纳河水中六种磺胺类（SAs）药物。结果显示，甲氧苄啶（SMZ2）、磺吡啶（SPD）和磺甲噁二唑（SMX）的检出率最高。此外，Li等[13]通过风险商值计算评估了耐药风险，发现磺吡啶在农业土壤中呈现中等至高风险水平。OTC广泛用于兽医治疗细菌感染，作为中国主要畜牧生产国之一，其使用量不断增加[14]。由于OTC结构的稳定性及其抗菌特性，利用传统水处理工艺（如物理化学或生物处理方法）去除OTC较为困难[15]。总体而言，人工湿地（CW）对抗生素的控制具有相当的去除/固定能力和容量[16]。由于CW的环境条件复杂多变，抗生素的去除不仅通过特定机制实现，也是这些机制协同作用的结果[17]。一方面，抗生素和ARGs可被吸附在基质表面，从而从水中去除[18]。另一方面，基质中存在的污染物也可能以络合物的形式释放到水中，或通过增殖和转移导致抗生素和ARGs含量的增加[19]。此外，微生物在降解抗生素和代谢ARGs方面发挥作用，而目标抗生素和ARGs的存在也可能影响生物活性[20]。作为CWs中至关重要且不可或缺的一部分，基质类型已被证明是决定CWs污染物去除特征的主要因素[21]。CWs中不同类型的基质在抗生素和ARGs的吸附和生物降解能力方面往往表现出显著差异[22]。黄铁矿（FeS?）是一种在地球上储量丰富、分布广泛的硫化物矿物，是CWs中的重要基质。黄铁矿具有显著的比表面积、高反应活性和强氧化还原能力，可显著提高污染物去除效率[23]。研究表明，在CWs中使用黄铁矿作为基质以增强污染物去除是可行且经济的。许多研究报告指出，充填铁（Fe）基质的CWs可使磺甲噁二唑的去除率比对照组提高5%[24]。此外，已发现黄铁矿与过硫酸盐和Fenton工艺联用可作为催化剂促进四环素的降解[25]。Huang等[26]进一步对FeS?基酸性矿山排水生态处理系统的研究表明，ARGs和移动遗传元件（MGEs）受到显著限制。同时，Zhang等[27]报道FeS?可增加羟基自由基（•OH）的产生，从而促进ARBs的灭活和ARGs的降解。最近，Fang等[28]报道，在CW中添加黄铁矿可通过FeS?中硫空位晶体面的空位活化途径促进•OH和单线态氧的生成，从而降解约73.0%的胞外聚合物（EPS）结合的ARGs并抑制水平基因转移。Wang等[29]进一步揭示了黄铁矿介导河口沉积物中典型抗生素降解的双功能机制，涉及有氧条件下的•OH氧化和厌氧条件下的还原转化。然而，值得注意的是，黄铁矿矿物可提供额外的微生物附着位点以利于抗生素去除，同时也可能为ARGs和ARBs的转移和扩散带来潜在风险[23]。因此，需要对CWs中黄铁矿进行全面的行为评估。不幸的是，目前针对这一方面的研究十分有限。目前尚不清楚黄铁矿如何增强抗生素降解，以及它是否影响CWs中抗性基因的代谢。具体而言，黄铁矿在CW系统中介导的抗生素转化和ARGs迁移机制尚未见报道，这亟待深入探究。因此，本研究构建了三种循环叠合复合人工湿地（RSHCWs），该系统已在我们的前期研究中得到开发[30][31]。RSHCWs采用不同含量的黄铁矿作为介导基质，并与其他常用湿地基质配合使用。以黄铁矿存在下CW中抗生素的行为为重点，本研究的目的是：1）评估黄铁矿介导的RSHCW系统对抗生素去除的效果及其对ARGs的作用；2）阐明RSHCW中抗生素的主要转化途径；3）探究不同黄铁矿含量作为基质时RSHCW中ARGs的代谢迁移机制。预期本研究可为CW中抗生素废水处理控制ARGs转移提供理论参考。章节节选RSHCW的搭建、运行与采样试验中使用的中试规模RSHCWs由三组组合式CW构成，采用垂直叠合方式建造，顶部为垂直流CW（VFCW），中间为水平流CW（HFCW），底部为储水箱。HFCW基质中充填不同含量的黄铁矿以处理大学校园污水中的抗生素和ARGs，如图1所示，分别标记为ZCW、HPCW和PCW。RSHCWs的构造和运行描述见补充文本S1。抗生素去除效率批次动力学采样的抗生素浓度结果计算并显示于图2(a-c)中。在三组RSHCWs中，SPD在24小时内去除率达到95%，但在6-8小时之间出现了浓度反弹，这可能是由于磺胺类的乙酰化及其后续去除所致，因为乙酰化磺胺类可重新转化为其母体化合物[32]。对于OFX，ZCW和HPCW的24小时去除率分别为92.9±5.9%和93.9±2.8%，而PCW的去除率为结论本研究阐明了黄铁矿介导的抗生素转化和ARGs代谢在RSHCW中的协同机制。三种不同基质的RSHCWs对目标抗生素的去除效率均很高（SPD>92%，OFX>85%，OTC>95%）。基于质量平衡分析发现，生物降解是抗生素去除最重要的过程，对SPD的贡献超过90%，对OFX为66%-73%，对OTC为48%-64%。环境意义抗生素和抗生素抗性基因（ARGs）代表了水环境中耦合的化学和遗传危害，其长期风险超出了常规污染物毒性。本研究证明，黄铁矿作为一种广泛分布的矿物，可以战略性地应用于人工湿地（CWs）中，以同时减轻抗生素污染并抑制ARGs扩散。通过将非生物氧化转化与微生物生态调节相结合，黄铁矿削弱了作者贡献声明**张晓蒙：**验证，监督。**杨阳：**撰写—审阅与编辑，监督，项目管理，概念化。**吉斌：**可视化，验证，软件。**付经渺：**撰写—原始草稿，可视化，验证，资源，方法论，形式分析，数据整理，概念化。**赵雅倩：**撰写—审阅与编辑，监督，项目管理，资金获取，概念化。**卢瑾索：**监督，资源，概念化。**Dai云**利益冲突声明作者声明，他们没有已知的竞争性财务利益或个人关系可能影响本研究报告的工作。致谢作者感谢以下项目对本研究的支持：国家自然科学基金（批准号：52370170；42377086）；科技部：高端外国专家项目（G2021199008L）；广东省国际科技合作基地（2019A050505005）；山东省高校青年科技创新支撑计划（2023KJ243）。付经渺 | 赵雅倩 | 卢瑾索 | Dai云 | 张晓蒙 | 杨阳 | 吉斌西安建筑科技大学环境与市政工程学院，西安 710055，中国