JWPE专栏 | 武汉理工大学姜宇团队:藻菌颗粒污泥应对全氟辛酸胁迫的综合处理效能及抗生素抗性基因动态变化

图文导读

图1：（a）COD、（b）NH₄⁺-N、（c）TN和（d）TP的污染物去除性能；（e）进出水中NO₂^--N浓度；（f）进出水中NO₃^--N浓度。

PFOA胁迫下ABGS依然具有优异的污染物去除性能

研究首先考察了PFOA对ABGS污染物去除性能的影响。ABGS表现出对PFOA较强的抵御能力，在对照组（R_C）及10 mg L^-1（R_L）、20 mg L^-1（R_H）的添加组中，COD和NH₄⁺-N去除率分别维持在95%和94%以上，表明ABGS在高浓度PFOA胁迫下仍能保持较稳定的有机物去除和氨氧化能力。R_L和R_H出水中仅出现了少量NO₂^--N积累。

图2：ABGS的理化性质：（a）MLSS；（b）SVI₃₀；（c）Zeta电位；（d）EPS含量；（e）接触角；（f）三维荧光光谱。

EPS是维持颗粒污泥结构稳定和抵御有毒物质的基础

EPS能够为颗粒中微生物提供保护。PFOA胁迫下，ABGS中蛋白质（PN）和多糖（PS）含量均明显增加，其中PS增加更为突出。在R_H中，PS含量较对照提高216.16%，PN提高46.44%。此外，PFOA尤其促进LB-EPS分泌。LB-EPS增加一方面可在颗粒外层形成屏障，降低微生物与游离PFOA的直接接触，另一方面亦导致颗粒边界变模糊、外层松散，并伴随沉降性能恶化，生物量降低。

图3：ABGS微生物群落组成：细菌群落在（a）门水平和（b）属水平上的组成；真核生物群落在（c）门水平和（d）属水平上的组成。

PFOA胁迫下ABGS具有稳定的微生物群落

ABGS对PFOA毒性具有较强的抵抗能力。在PFOA胁迫下ABGS微生物群落整体变化有限，α多样性仅发生小幅变化。属水平上，Micropruina和Kineosphaera等菌属因具有分泌EPS的能力而占据优势地位，在PFOA胁迫下略有富集。具有反硝化功能的Hydrogenophaga、Sphingopyxis、Acidovorax、Devosia和Sphaerotilus等菌属丰度并未显著变化，表明NO₂⁻-N积累的主要原因并非反硝化菌丰度降低。真核微生物方面，绿藻属在R_L和R_H中分别增加了0.35%和3.08%，表明以小球藻为代表的绿藻属对PFOA具有较强耐受性。

图4：氮代谢、能量产生和EPS生物合成相关功能基因分析：（a）氮代谢途径关键基因丰度；（b）三羧酸（TCA）循环关键基因丰度；（c）EPS中微生物蛋白质（PN）和多糖（PS）组分的生物合成途径；（d）负责PN和PS生物合成的基因相对丰度。

关键代谢通路变化

氨氧化、亚硝酸盐氧化和硝酸盐还原相关的功能基因丰度几乎未受PFOA影响。相较之下，PFOA胁迫显著降低了亚硝酸盐还原酶基因nirS和nirK丰度。与对照组相比，nirS在R_L和R_H中分别下降11.32%和11.37%，nirK分别下降1.11%和20.75%。这表明PFOA通过降低亚硝酸盐还原功能基因丰度阻碍脱氮过程。与此同时，TCA循环中pckA和sucD等与ATP/NADH供应相关的功能基因丰度下降，从而减少了亚硝酸盐还原所需电子供体，进一步加剧NO₂⁻-N积累。

图5：ABGS系统中ARGs和MGEs对PFOA胁迫的响应：（a）不同PFOA浓度下ABGS系统中的主要抗生素抗性机制；（b）丰度最高的前50种ARGs；（c）主要MGEs类型的丰度；（d）不同类型ARGs的比例分布；（e）微生物属水平与ARGs之间的相关性分析。该分析聚焦于丰度最高的前20种ARGs亚型和微生物属，构建了包含40个节点和160条边的网络。红色表示正相关，绿色表示负相关。

抗性基因与可移动遗传元件丰度变化规律

在ABGS系统中，多重耐药、肽类、四环素、糖肽、氨基糖苷和三氯生抗性基因是主要ARGs类型，其中多重耐药基因占比约36%，肽类抗性基因约14%。插入序列、整合酶和重组酶是主要MGEs类别。低浓度PFOA暴露促进ARGs和MGEs富集，而高浓度PFOA则可能因ROS过量、DNA损伤和能量不足抑制ARGs富集。共现网络分析显示，Devosia、Piscicoccus、Kineosphaera和Flavobacterium等菌属与部分ARGs丰度呈显著正相关，可被视为潜在宿主。然而，这些潜在宿主在PFOA胁迫下并未显著富集，说明PFOA并非通过选择宿主菌促进ARGs丰度增加。

PFOA通过促进水平转移导致ARGs富集

PFOA可发挥类似抗生素的作用，促进ARGs富集。然而，不同于抗生素通过直接筛选抗性菌株实现ARGs富集，PFOA胁迫对微生物的选择压力并不显著。相反，PFOA主要通过诱导氧化应激（ROS和MDA水平）并增加膜通透性（LDH）促进ARGs的水平转移，从而增强ARGs的富集。相比之下，较高浓度PFOA对水平转移表现出抑制作用，这可能是由于其干扰了微生物TCA循环等代谢过程，抑制了ATP合成，从而阻碍了耗能的水平转移行为。

小结

本研究从污染物去除、污泥特性、微生物群落、代谢路径和ARGs丰度等方面，分析了ABGS在PFOA胁迫下的响应机制。结果表明，ABGS在PFOA胁迫下仍能维持较高的COD和NH₄⁺-N去除效率，这主要得益于微藻构筑的外层屏障和EPS的保护作用。但PFOA通过降低nirS、nirK等亚硝酸盐还原基因丰度，抑制NO₂^--N去除。此外，PFOA通过诱导氧化应激、提高细胞膜通透性，促进ARGs水平转移。总体而言，藻菌颗粒污泥具有较强的抵抗PFOA胁迫的能力，但仍存在抗性基因扩散风险。该研究为藻菌颗粒污泥的应用及生物安全风险控制提供了参考。