SMX胁迫下连续流AGS-MBR系统的性能、代谢及抗性：宏观失稳现象的微观机理

图文摘要

成果简介

近日，广东工业大学环境科学与工程学院汤兵教授团队和在环境领域学术期刊Water Research上发表了题为“Performance, metabolism, and resistance of an SMX-stressed continuous-flow AGS-MBR system: Microscopic mechanism of macroscopic instability phenomena”的学术论文。

该研究采用连续流好氧颗粒污泥膜生物反应器（AGS-MBR）在SMX胁迫下连续运行140天。当SMX浓度为0.2-1 mg L-¹时，总氮和总磷去除率分别稳定在90%和72.8%，颗粒体积平均直径维持282 µm。

宏基因组学分析显示糖原代谢基因glk和多聚磷酸盐基因ppk显著上调，通过能量补偿途径为TB-EPS合成提供ATP及前体物质，从而强化颗粒骨架。

当进水SMX升至5 mg/L时，该补偿机制崩溃：EPS下降45%，颗粒直径缩减38%，颗粒解体，总氮去除率降至70%，总磷去除率跌至44.8%。菌群结构转为丝状菌主导态，Thiothrix相对丰度超25%。

非致病菌Rubrivivax成为抗生素抗性基因（sul1、sul2）和多重转座酶的共同宿主；可移动遗传元件介导抗性基因与毒力基因的共转移，削弱功能冗余。

LC-MS进一步表明主要转化产物P4和P6的慢性毒性比母体化合物高2.3倍，对已受损的颗粒微生物群施加额外化学胁迫。

SMX浓度触发级联效应：代谢补偿机制失效后，易发生基因移动的丝状菌被选择性富集，最终化学毒性加剧，逐步瓦解颗粒结构、脱氮除磷功能及生态安全。

该研究结果揭示了SMX胁迫下剂量依赖的宏观-微观级联响应机制，为含抗生素废水生态风险调控提供理论依据。

引言

随着城市化与工业化进程的加速，含氮磷废水及各类新型污染物的排放量持续增加，严重威胁着水环境安全和生态系统稳定。与此同时，抗生素的广泛使用在保障健康与促进生产的同时，也引发了日益严重的环境残留问题。其中，磺胺甲恶唑（SMX）作为一种典型磺胺类抗生素，具有环境持久性，已在地表水及污水处理厂出水中广泛检出，浓度范围可达μg/L至mg/L。

环境中的SMX残留不仅可能抑制水生生物的光合作用与微生物代谢活性，还会诱导如sul1、sul2等抗生素抗性基因的水平转移，加剧全球耐药性传播风险。

面对这一挑战，好氧颗粒污泥（AGS）技术因其结构密实、沉降性能好、抗冲击负荷能力强以及高效的脱氮除磷能力，被视为极具潜力的下一代废水处理工艺。为深入探究AGS系统在长期受抗生素压力下的响应机制，本研究在连续流膜生物反应器中，系统考察了长期SMX暴露如何导致系统宏观性能的变化，并进一步解析其对应的微观机理转化过程。

图文导读
连续流 MBR 反应器中AGS对 SMX 的特异性响应

通过140天连续流实验，揭示了SMX胁迫下系统性能的浓度依赖性级联响应：在0.2-1.0 mg/L低浓度区间，颗粒结构保持稳定（Dv50维持282μm），TN/TP去除率分别达90%/72.8%，宏基因组显示glk/ppk基因上调驱动能量补偿机制，促进TB-EPS合成强化颗粒骨架；当SMX升至5.0 mg/L时，EPS锐减45%、颗粒解体38%、TN/TP去除率降至70%/44.8%，菌群转为丝状菌主导（Thiothrix＞25%），Rubrivivax成为ARGs（sul1/sul2）与转座酶共同宿主，可移动遗传元件介导抗性-毒力基因共转移，且SMX转化产物P4/P6的慢性毒性达母体的2.3倍，最终通过"代谢补偿失效-丝状菌增殖-基因水平转移-化学毒性叠加"的连锁反应，导致颗粒破碎。

图1.反应器在SMX应力下的常规性能：(a)出水氨；(b)EPS变化；(c)出水磷；(d)出水COD；(e)污泥量；(f)膜通量TMP

SMX的去除性能、降解机理及毒性分析

为明确SMX的去除极限，本研究采用高分辨率质谱结合多端点毒性预测模型，追踪了SMX的降解效率、转化路径及产物毒性演变，结果如图2所示。在进水浓度0.2-5.0 mg/L梯度提升过程中，虽降解效率从61.06%降至22.00%，但实际去除负荷从0.96增至2.64 mg/h，表明微生物通过群体感应驱动"定量补偿"机制维持整体去除能力。

通过鉴定14种中间产物（P2-P15）解析出SMX的双阶段转化路径——初期保留双环结构的氨基硝化/亚硝化（P2、P5）、苯环羟基化（P3、P4）等反应，后期发生磺酰胺键断裂生成单环产物（P8-P15）。毒性评估发现苯环羟基化产物P4、P6的慢性毒性为母体的2.3倍，所有目标产物均属"剧毒"级别，TEST模型进一步显示P1-P7和P15发育毒性指数＞0.80。研究表明尽管系统通过微生物适应性维持SMX去除负荷，但羟基化衍生物的高生态风险与膜富集效应可能形成"去除效率假象"。

图2. SMX的降解：(a)降解效率；(b)中间产物毒理预测：(a)急性毒性；(b)慢性毒性；(c)诱变性；(d)发育毒性；(e)生物浓缩系数；(f)水蚤LC50

微生物群落与功能基因的级联响应机制

在0.2-0.5 mg/L低浓度SMX驯化阶段，微生物群落通过Thiothrix、Anaerolinea和Rubrivivax的协同增殖（总丰度33.94%-49.85%）形成适应性优势，其中绿弯菌门丰度提升至26.50%并驱动胞外多糖合成以维持颗粒结构；当SMX浓度升至5.0 mg/L时，硫发菌相对丰度突破25%引发丝状菌过度生长，导致颗粒解体与膜污染加剧。功能基因组分析显示，系统通过强化碳水化合物代谢（促进EPS合成）、能量转换（维持微生物活性）及防御机制（抗性基因表达与外排泵上调）实现从"常规代谢"向"抗逆模式"转型，但无机离子转运代谢功能衰退直接导致脱氮除磷效能衰减。该研究从宏基因组层面阐明了SMX剂量驱动的"结构稳定性-功能冗余性-生态风险性"耦合机制。

通过宏基因组学揭示了SMX胁迫下AGS系统的代谢重塑与基因扩散机制：在1.0 mg/L。SMX胁迫下，糖原代谢关键酶（EC 2.7.1.2）与乙酰辅酶A合成酶（EC 6.2.1.1/13）活性显著提升，驱动碳源向能量物质（ATP）及EPS前体（UDP-葡萄糖）转化，同时多聚磷酸激酶（ppk）协同增强磷代谢效率，支撑颗粒结构稳定与72.78%的TP去除率；当SMX浓度升至5.0 mg/L时，氮代谢关键酶（如nosZ编码的EC 1.7.2.4）丰度锐减，反硝化功能衰退导致TN去除率暴跌。抗性基因分析显示sul1/sul2在B3阶段富集峰值，其与转座酶（IS3/Tn3）、整合酶形成MGEs网络，通过Rec家族核心节点介导多药外排泵（adeG）与毒力因子（bvgS/bvrS）的共转移，验证了“抗性-毒力协同进化”模式。该级联响应呈现剂量依赖性：低浓度激活能量补偿与碳磷代谢协同，高浓度则引发氮代谢崩溃及MGEs驱动的生态风险扩散。

图3. 代谢途径分析：(a)糖原和COD；(b) NH4+-N; (c)TP

宿主分析与环境影响因素的作用

通过宿主溯源与环境因子关联分析，揭示了SMX胁迫下ARGs传播的微观驱动机制：网络共生分析证实kdpE、adeS等ARGs与RecA、IS6256等可移动遗传元件（MGEs）存在显著协同关系，其中sul1/sul2与多种MGEs的强关联揭示了磺胺抗性基因的水平转移路径；Rubrivivax、Brevundimonas等9个属被鉴定为ARGs-VFGs-MGEs的共宿主，非致病菌Rubrivivax通过携带抗性-毒力基因复合体展现出比病原菌更强的环境传播力。环境因子解析表明EPS与颗粒粒径（Dv）及污染物去除效率（TN/TP/COD/NH₄⁺-N）呈强正相关，证实其通过多糖-蛋白粘附维持颗粒结构稳定及功能微环境；TMP与DO、SMP(PS)的耦合关系揭示了好氧代谢驱动膜污染的递进机制，而MLVSS/MLSS主导的微生物活性则通过调控群落结构动态影响ARGs分布格局。研究系统勾勒出SMX胁迫下"EPS结构支撑-微生物活性驱动-共宿主基因播散"的级联响应网络。 

图4. 响应网络：(a)依赖于MGEs的ARGs传播模式；(b)VFGs, MGEs 和 ARGs的共同潜在宿主；(c) Mantel-test分析，在属水平上评估ARGs、各种污泥指标数据和微生物群落之间的相关性

小结

当SMX浓度≤1.0 mg/L时，TB-EPS蛋白短暂增加，颗粒直径达峰值282 μm，TN去除率维持在90%以上；而当SMX升至5.0 mg/L时，颗粒发生崩解，EPS骤降45%，TN去除率跌至70%，证明该浓度足以引发系统宏观失稳。尽管SMX去除负荷从0.96升高至2.64 mg/h，但其两阶段生物转化（双环保留→单环裂解）生成的中间产物P4和P6，慢性毒性达母体化合物的2.3倍，呈现毒性放大效应。微生物群落逐步向Chloroflexota/Pseudomonadota主导的结构演替，Thiothrix和Anaerolinea作为关键属，防御/外排功能基因显著上调，体现生态位重塑。ARGs（sul1/sul2等）与MGEs、VFGs形成协同网络，Rubrivivax，Brevundimonas等相关类群成为共宿主。5.0 mg/L SMX显著抑制nosZ等氮代谢基因，导致功能基因失稳。综合表明，SMX浓度升高通过“颗粒结构→微生物群落→功能基因→抗性组”四级级联放大生态风险。

来源：广东工业大学汤兵团队、AGS造粒师

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