武汉大学朱联东团队WR：铜调控模拟养猪废水中微藻真菌共培养体系对典型抗生素的降解——代谢路径和溶解性有机物的深入分析

图片摘要

成果简介

近日，武汉大学资源与环境科学学院朱联东教授团队在环境领域著名学术期刊 Water Research 上发表了题为“ Copper regulates degradation of typical antibiotics by microalgal-fungal consortium in simulated swine wastewater: insights into metabolic routes and dissolved organic matters ”的研究论文 。文中基于构建优化的微藻 Chlorella vulgaris 和 真菌 Aspergillus oryzae 共培养体系 ，实现了废水中 NH ₄ ⁺ -N 、 TN 、 TP 、 COD 和磺胺类药物的高效去除。研究发现磺胺类药物的生物降解符合伪一级动力学模型，低剂量铜离子提高了共培养体系对磺胺类药物的去除效率，缩短了磺胺类药物的半衰期，同时揭示了三种磺胺类药物的签字生物降解途径。该工作为铜离子影响微藻真菌共培养体系去除畜禽养殖废水中抗生素的过程提供了新的见解 。

抗生素在环境中难降解且半衰期长，影响水体微生物的生长与繁殖，其存在容易诱导产生抗药菌或抗药基因，威胁饮用水的安全等，故被确定为重点管控的新污染物。抗生素常见处理方法主要包括物理吸附法、电化学法、高级氧化法和生物处理法等。其中，生物处理法以其工艺流程简单、成本费用低和污染物去除彻底等优点，成为目前处理抗生素污染废水的主流技术。基于微藻的生物技术在资源化处理废水方面具有较大的潜力，微藻通过生物吸附、生物同化和生物降解等过程能有效的实现抗生素的去除且不会产生抗生素抗性基因。与其它生物技术相比，微藻真菌共培养体系在畜禽养殖废水抗生素处理方面具有较为独特的优势，主要表现在污染物有效去除、生物质高效生产、污泥减量和资源回收等方面。然而，微藻真菌共培养体系的研究大都集中在废水营养物质去除（如 NH ₄ ⁺ -N 、 TN 、 TP 和 COD 等），而针对畜禽养殖废水中抗生素的去除性能与生物降解途径的研究较少。此外，畜禽养殖废水中还存在大量的重金属离子，当铜离子和磺胺类药物共存时，微藻真菌共培养体系对磺胺类药物的去除性能如何变化尚不清晰。针对以上问题，本研究基于前期构建并优化的微藻真菌共培养体系，以畜禽养殖废水中检出浓度较高的铜离子和三种磺胺类药物为研究对象，解析了铜离子对共培养体系去除废水中常规污染物质和三种磺胺类药物的影响，阐明了溶解性有机物与铜离子的相互作用机制，同时提出了三种磺胺类药物可能的生物降解途径，为微藻真菌共培养体系深度处理畜禽养殖废水中抗生素提供理论依据与技术参考 。

图文导读

Chlorella vulgaris 和 Aspergillus oryzae 相互结合的电镜图

从图 1 中可以清晰地看到 C. vulgaris 细胞与 A. oryzae 菌丝，其中 C. vulgaris 有的相互团聚，有的则黏附在菌丝上。由于菌丝的强力支撑作用，与微藻的结合呈现三维立体结构。 C. vulgaris 被菌丝捕获后，在水中呈现出悬浮状态，极大地提高了 C. vulgaris 与废水中污染物的接触几率，进而提高污染物的去除率。此外，立体的空间结构也极大地促进微藻与真菌之间的营养物质与气体的交换，从而达到互利生长的目的 。

生物量与生化组分变化

对微藻真菌共培养体系采收之后的总生物量进行分析，结果如图 2a 所示。不添加铜离子时，共培养体系总生物量干重（ DW ）达 1.26 g/L ，较低浓度（ 0.2 mg/L ）的铜离子增加了共培养体系中总生物量的积累，最大生物量达 1.51 g/L 。由于微藻和真菌在共培养体系中不能完全分离，无法分别测量各自的生物量变化，因此以叶绿素总量表征微藻的生物量变化。结果表明，未添加铜离子的情况下，叶绿素 a 和总叶绿素含量分别为 10.29 和 14.37 mg/g 。当铜离子浓度增加到 0.2 mg/L 时，微藻生物量积累量最高，叶绿素 a 和总叶绿素含量分别增加到 12.24 和 21.26 mg/g 。对微藻真菌生物质的生化组分进行测定，结果如图 2b 所示。 Cu （ II ）浓度从 0 增加到 0.2 mg/L 时，多糖含量从 428 mg/g 增加至 446 mg/g 。然而，铜离子对蛋白质含量的影响并不大，浓度范围在 101 至 117 mg/g 。

三种磺胺类药物的代谢途径

通过 HPLC-MS/MS 分析， SMZ 、 SMM 和 SMX 降解中间产物分别有 8 、 5 和 6 种。基于此结果，推测了 SMZ 、 SMM 和 SMX 可能的生物降解途径，具体结果如 3 所示。研究发现， SMZ 、 SMM 和 SMX 生物降解途径过程中的最终产物都有 1, 2, 4- 三羟基苯（ TP126 ）。此外，还发现共培养体系对 SMZ 、 SMM 和 SMX 的降解产物中都有磺胺（ TP173 ）的存在。因此，我们可以推测磺胺类药物生物降解的必要途径是断裂磺胺基与杂环之间的化学键（ C-N 键），从而实现将大分子物质逐步生物降解的目的。在水解酶、脱氨酶、羟基化酶等酶的作用下，通过水解作用、氨氧化作用、羟基化作用和脱氨作用等过程，实现磺胺类药物的生物降解 。

溶解性有机物荧光组分变化

基于 EEM-PARAFAC 模型，确定了不同铜离子浓度处理下各个处理组中三组分的最大荧光强度（ Fmax ），并将三组分进行占比分析，结果如图 4 所示。结果表明，铜离子浓度的增加， C1 （黄腐酸类物质）和 C3 （蛋白质类物质）的 Fmax 值明显增加，分别从 0.93 增加至 1.19 ，从 1.1 增加至 1.2 。铜离子促进了共培养体系向水环境释放黄腐酸类物质和蛋白质类物质，进而增加其在溶解性有机物中的含量占比。研究发现，蛋白质类物质中由于含有丰富的氨基、羧基、巯基、羰基羧基和酚类基团，对重金属具有较高的结合亲和力，可与铜离子形成蛋白质 - 铜离子的复合物，从而减轻铜离子对生物机体带来的损伤 。

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