利用氢化菌（Hydrogenophaga）增强作用的微藻-细菌颗粒污泥高效处理含有氯霉素的废水

《Journal of Environmental Chemical Engineering》：Hydrogenophaga-bioaugmented microalgal-bacterial granular sludge for efficient treatment of chloramphenicol-containing wastewater

　　高效处理高浓度氯氨苯甲醇废水的新型生物强化技术，通过引入红磷棒菌属（Hydrogenophaga sp.）显著提升微藻-细菌颗粒污泥系统对CAP的去除效率至61.3%，同步增强COD、NH4+-N、PO4^3- -P等传统污染物的降解能力，其机制涉及微生物群落重构与代谢协同网络优化，有效缓解抗生素胁迫下的系统稳定性问题。

　　

向胜杰|白阳|余敏|哈西米·阿布·哈桑|史玉婷|童灿|田媛|李安杰|季斌

中国武汉科技大学城市建设学院水与废水工程系，武汉430065

摘要

为了解决传统微藻-细菌颗粒污泥（MBGS）系统无法有效处理高浓度氯霉素（CAP）废水的问题（这一限制源于缺乏专门的降解微生物），本研究采用了Hydrogenophaga属微生物的生物强化技术。该生物强化策略显著提升了系统性能，在光照周期内平均CAP去除效率达到了61.3%。传统污染物（COD、NH₄⁺-N、PO₄^3--P）的去除效率也得到了显著提高（p < 0.01）。生物强化引发了微生物群落的重大重组，表现为Rubrivivax、Sphingopyxis和Hydrogenophaga等关键属的丰度增加，并增强了代谢协同作用，证实了系统通过特定的群落演替适应了抗生素压力。这些微生物变化促进了CAP抗性基因和降解基因丰度的有利变化，从而提高了关键CAP降解酶的水平，最终提升了MBGS的整体性能。本研究建立了一种基于生物强化的技术途径，用于高效处理含有难降解抗生素的废水。

引言

氯霉素（CAP）是一种广谱抗生素，广泛用于预防牲畜疾病[25]。然而，其高化学稳定性导致了严重的环境残留问题，对水生生态系统构成了严重威胁[31]。在一些水产养殖区，CAP浓度可达到每升数十至数百纳克，在严重污染的地方，浓度甚至可升至每升微克[2]、[45]。水环境中CAP浓度升高不仅破坏了微生物群落的正常生态功能，还促进了抗生素抗性基因的传播，对人类健康构成潜在威胁[27]、[32]、[6]。传统的去除方法（如吸附和混凝沉淀）效率有限，且成本比生物处理方法高出约30%[15]、[30]、[33]。因此，迫切需要探索经济上可持续的高浓度CAP废水处理技术。

尽管传统的微藻-细菌颗粒污泥（MBGS）系统对磺胺甲噁唑和环丙沙星等抗生素具有良好的适应性[13]、[29]，但在高浓度高生物毒性抗生素（如CAP和恩诺沙星）的环境中，其污染物去除效率会显著下降，这是由于特定降解微生物的丰度较低，以及碳、氮和磷代谢途径中关键酶的减少[3]。此外，高浓度抗生素的暴露还会诱导抗生素抗性基因（ARGs）（如、、）的增殖，进一步增加环境风险。因此，有必要通过生物强化等策略优化MBGS系统，以提高其对高浓度和高生物毒性抗生素的耐受性和降解效率。

将生物强化技术应用于MBGS系统有望克服这些挑战。多项研究表明，MBGS系统可以通过特定的微生物群落演替来适应抗生素压力[5]。在CAP浓度为10–50 mg/L的范围内，观察到了显著的群落特异性演替和抗生素抗性基因的差异表达[12]。然而，在高浓度CAP的强烈毒性压力下，MBGS系统存在群落演替缓慢和效果有限的问题，难以保证系统的稳定运行。考虑到环境相关性和该领域机制研究常用的浓度范围，实验选择了10 mg/L的CAP浓度。在此浓度下，MBGS系统中Hydrogenophaga的丰度呈显著上升趋势。我们推测该属携带CAP抗性基因，并能与其他功能菌群建立协同代谢网络。通过互补的生物降解途径（如酰胺键水解和乙酰化修饰），这一过程可以提高整体污染物降解效率[18]、[3]。因此，使用Hydrogenophaga属调节群落演替有望成为提高MBGS系统CAP降解效率的可行生物强化策略。

本研究重点探讨了在MBGS中应用Hydrogenophaga属的生物强化策略，研究了其在应对高浓度CAP压力方面的可行性，并分析了生物强化对污染物去除效率、微生物群落演替和抗性基因表达的调控作用。通过揭示Hydrogenophaga介导的MBGS效率优化机制，并确定影响去除效率的核心驱动因素，本研究进一步探索了高效生物处理高浓度CAP废水的技术途径，从而提出了一种创新且可持续的高浓度CAP废水处理方案。

实验部分

合成废水

合成废水的化学需氧量（COD）约为400 mg/L，氨氮（NH₄⁺-N）为30 mg/L，磷酸盐（PO₄^3--P）为3 mg/L，CAP为10 mg/L。详细制备方法见表S1。

实验装置

本研究中使用的MBGS来自先前的研究[3]。五分钟污泥体积指数（SVI₅）为33.94 mL/g，挥发性悬浮固体（VSS）浓度为4.59 g/L。实验在100 mL的工作体积玻璃生物反应器中进行。

颗粒沉降性能和叶绿素含量

引入Hydrogenophaga属后，颗粒大小保持不变（图1a），沉降性能略有改善（图1b）。这种改善可能是由于生物强化增强了系统稳定性，减轻了CAP引起的微生物压力，并提高了沉降效果，尽管总EPS含量略有下降（图1c）。生物强化组的叶绿素含量略有下降（图1d），可能是由于Hydrogenophaga诱导的微生物作用。

结论

本研究表明，添加了Hydrogenophaga属的MBGS系统表现出显著的环境适应性和增强的抗压能力，同时能有效处理高浓度CAP废水。接种Hydrogenophaga属后，CAP去除效率显著提高，COD、NH₄⁺-N和PO₄^3--P的去除效率也显著提升，尤其是在黑暗周期内。宏基因组分析表明，Hydrogenophaga属的引入优化了系统性能。

未引用参考文献

[4], [41]

CRediT作者贡献声明

余敏：撰写——初稿，实验研究。白阳：撰写——初稿，实验研究。史玉婷：撰写——审稿与编辑。哈西米·阿布·哈桑：撰写——审稿与编辑。向胜杰：撰写——初稿，验证，软件使用，实验研究，数据分析。田媛：数据分析。童灿：撰写——审稿与编辑，资金筹集。李安杰：撰写——审稿与编辑，资金筹集。

写作过程中生成式AI和AI辅助技术的声明

在准备本工作时，作者使用了DeepSeek工具以提高文本的可读性。使用该工具后，作者根据需要对内容进行了审阅和编辑，并对出版物的内容负全责。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能会影响本文所述工作的财务利益或个人关系。

致谢

本实验得到了中国国家自然科学基金（52261135627；52270048）的资助。