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昊为泰生物多年专注于深耕遗传学和基因组学等领域科研特色技术的开发，不断跟进国际先进的科研成果及技术发展，创新研发了许多特色专利技术和领域内前沿的检测服务项目，受到广大专业科研用户的认可和好评。
近年来，随着海水养殖产业的快速发展，水产养殖废水中硝酸盐和抗生素的双重污染问题日益严峻。尽管循环水养殖系统（RAS）通过高效的水体循环显著降低了水资源消耗和污染物排放，但高浓度的硝酸盐和抗生素残留却给生态环境和人类健康带来了潜在风险。如何实现对硝酸盐和抗生素的协同去除，成为当前水产养殖废水处理领域亟待解决的关键问题。
来自中国海洋大学环境科学与工程学院赵阳国教授团队与比利时根特大学、香港科技大学等单位合作，第一作者为陈越博士，在国际一区Top期刊《Chemical Engineering Journal》（IF=13.4，一区Top）上发表研究论文。研究团队开发了一个集成系统，该系统将紫外线预处理装置与硫代硫酸盐驱动的混合营养反硝化系统（UV-TDMD）相结合，利用昊为泰宏基因组测序，揭示了该系统中碳、硫、氮代谢、微生物群落动态及抗生素抗性基因（ARGs）的命运。这项研究为解决海水养殖废水中硝酸盐和抗生素污染问题提供了重要的理论依据和技术支持。
中文题目：综合紫外线预处理和混合营养反硝化系统的系统分析：深入了解碳、硫和氮代谢、微生物群落动力学和抗生素耐药基因的命运
发表期刊：Chemical Engineering Journal
影响因子：13.4（一区Top）
发表时间：2024年12月
硝酸盐和抗生素是海水养殖废水中的主要污染物。硝酸盐过量积累可导致水体富营养化，而抗生素残留，如磺胺甲恶唑（SMX）等不仅对水生生物具有毒性，还会促进抗生素抗性基因（ARGs）的传播，威胁环境和人类健康。然而，传统处理技术难以有效去除这两类污染物，因此，探索新型高效的处理工艺显得尤为重要。
混合营养反硝化作用结合了异养反硝化作用和基于硫的自养反硝化作用的优点，已成为一个重要的研究领域。前期研究发现，微生物群落的结构和组成在混合营养反硝化中起着至关重要的作用。同时，海水养殖废水中抗生素的存在也会对微生物具有重要作用，进一步影响反硝化过程。然而，硫驱动的混合营养反硝化作用中复杂的代谢途径为 SMX 如何具体影响微生物反应、群落进化和碳-硫-氮代谢过程，目前的研究仍然较少。
基于以上问题，本研究构建了一个集成紫外预处理与混合营养反硝化的实验系统（UV/TDMD），通过宏基因组测序等实验，系统分析了不同紫外照射时长对该系统性能的影响，包括氮和抗生素（SMX）的去除效率，微生物群落在碳、硫、氮代谢中的协同与竞争关系，以及ARGs 的传播机制及其宿主菌群。
本研究的装置系统包括两个主要部分：紫外预处理单元和混合营养反硝化单元。1）紫外预处理单元：设计了一个10 L的紫外反应器，配置8瓦的紫外灯（254 nm波长）。实验设定了不同的紫外照射时间（30分钟、5分钟、0分钟）以研究其对SMX光解效率的影响。在运行过程中，废水以50%的体积交换率从紫外单元转移至反硝化单元。2）混合营养反硝化单元：使用1 L的硫代硫酸盐驱动反硝化反应器，水温控制在22±3℃。投加培养的活性污泥，污泥浓度调整至2.8 g/L混合液悬浮固体（MLSS）。合成废水中硝酸盐浓度为100 mg N/L，碳氮比（C/N）为0.7，硫氮比（S/N）为5.9。废水中添加了1.8–2.7 mg/L的SMX以模拟抗生素污染。
图1、本研究系统示意图，包括运行中的紫外线预处理装置和混合营养反硝化装置。
采样与检测方面，研究者首先对废水中的硝酸盐、亚硝酸盐、硫代硫酸盐、硫化物等成分进行离子色谱检测。对SMX及其降解产物通过超高效液相色谱-串联质谱（UHPLC-MS）分析。关键功能酶（硝酸还原酶、亚硝酸还原酶）活性使用比色法进行测定。抗氧化酶（过氧化氢酶）活性及胞外聚合物（EPS）通过相应试剂盒进行定量分析。污泥样本送上海昊为泰生物公司进行宏基因组测序分析。
紫外预处理与SMX去除
研究通过实验发现紫外预处理单元在SMX去除中的重要性。其主要机制是通过光解作用显著降低SMX浓度。当紫外照射时长从30分钟逐步缩短至5分钟和0分钟时，紫外单元对SMX的去除效率分别从53.25%降至20.30%和7.99%。这一过程中，混合营养反硝化单元的去除贡献始终低于10%，进一步说明单靠生物过程难以有效降解SMX。特别是在没有紫外预处理的情况下，SMX积累导致生物处理单元的抗氧化压力增加，从而对整体系统性能造成不利影响。
氮去除性能及关键酶活性的变化
从氮去除角度分析，硝酸盐的转化效率受紫外预处理时长影响较小，但氨氮的去除效果随紫外照射时间缩短而显著下降（从87.6%至25.7%）。实验数据表明，随着SMX残留浓度的升高，反硝化关键酶（NR和NIR）的活性受到明显抑制。具体而言，硝酸还原酶（NR）的活性下降了77.2%，而亚硝酸还原酶（NIR）活性降低了24.1%。这一趋势说明，抗生素应激直接削弱了微生物的反硝化能力，可能通过影响酶的生成或其活性表达途径实现。
硫代谢过程的紊乱及硫化物生成
紫外预处理时间的减少还对硫代硫酸盐代谢及硫化物生成产生重要影响。研究发现，硫酸盐还原菌（SRB）的相对丰度在紫外照射时间缩短时显著增加，导致硫化物生成量从1.55 mmol/L增至2.92 mmol/L。与此同时，异养硫氧化菌的活性受到抑制，表明SMX的压力可能促使硫循环偏向还原途径。这种硫化物积累不仅可能对脱氮效率产生负面影响，还对废水处理系统的稳定性构成威胁。
ROS积累及抗氧化系统的响应机制
SMX残留引发了活性氧（ROS）的大量生成，从而导致细胞氧化应激加剧。在低浓度SMX暴露条件下，微生物通过增强抗氧化酶（如过氧化氢酶CAT）活性及分泌胞外聚合物（EPS）来缓解氧化损伤。然而，当SMX浓度进一步升高时，抗氧化系统逐渐失效，ROS积累的破坏作用超过了细胞的耐受能力。研究显示，在UV预处理时间缩短的情况下，EPS的分泌量从高值显著下降，表明高浓度抗生素压力对微生物细胞的生存造成直接威胁。
抗生素抗性基因（ARGs）的传播与菌群关系
研究进一步揭示了ARGs在抗生素应激条件下的传播特点。在低浓度SMX暴露下，ARGs通过与宿主菌（包括硫酸盐还原菌和异养菌）的协同关系实现扩散。而随着SMX浓度升高，ARGs丰度反而有所下降，这可能归因于抗生素外排泵和生物降解过程的增强。此外，微生物群落分析显示，ARGs与宿主菌之间存在显著的正相关性，这为进一步探索ARGs的传播机制提供了关键线索。
图2、微生物的丰度、关系和代谢。（a）功能属的相对丰度，（b）属水平微生物群的进化，（c）属水平微生物群的共现网络，以及（d）KEGG 数据库注释的微生物代谢途径。
图3、混合营养反硝化代谢的机制。（a）与TCA循环相关的酶和基因的相对丰度的变化，（b）硫氧化代谢基因的变化，以及（c）反硝化机制和功能基因的变异。
本研究采用昊为泰微生物宏基因组测序等技术，系统揭示了集成紫外预处理与混合营养反硝化系统在处理海水养殖废水中的潜力。研究表明，紫外预处理通过减少抗生素残留，提高了生物处理单元的效率，同时有效降低了ARGs的传播风险。这一研究不仅为海水养殖废水的高效处理提供了技术支撑，也为抗生素污染控制和环境安全保护提供了新思路。
未来，进一步优化紫外预处理策略、探索抗生素和硝酸盐协同去除机制，以及评估实际工程中的适用性，将为该技术的广泛应用奠定基础。
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