微生物厌氧耦合不同电子受体降解磺胺类抗生素过程与机理

Based on the requirement of urgent removal of sulphonamides (SAs) frequently detected in aquatic systems and obligatory control of the antibiotics resistance gene (ARGs), the biodegradation of SAs was innovatively combined with anaerobic respiration in this project. The main researches include investigating the characteristics, transform pathway and degradation mechanism of the anaerobic biological degradation when distributed electron acceptors (sulfate, nitrate and ferric iron) and stationary electron acceptor (the anode in Bioelectrochemical systems) were used, illustrating the electron transfer mechanism between SAs, microbes and electrode. In addition, the key active communities, functional gene potentially degrading SAs and related to electron transfer and their network will be clarified by high throughput metagenomics, metatranscriptomes and 16S rRNA sequencing combined with stable isotope probing (SIP). The goal is to lay a theoretical and technical foundation for the enhanced removal of SAs in aquatic systems and to make an evaluation on the transformation trends mediated with microbes.

基于水体环境中频繁检出的磺胺类抗生素（SAs）去除的紧迫性以及控制抗生素抗性基因（ARGs）蔓延的必要性，本研究创新性的将SAs的生物降解过程与厌氧呼吸耦合起来，研究不同分散式电子受体（硫酸盐、硝酸盐、三价铁）和可持续的固定式电子受体（生物电化学系统的阳极）条件下SAs厌氧生物降解特征、代谢途径与作用机制异同点，揭示SAs-微生物-电极之间的电子传递机制。此外，基于高通量宏基因组学、宏转录组学、16S rRNA高通量测序结合稳定性同位素标记（SIP）手段揭示不同体系中厌氧细菌降解SAs的关键活性菌群、潜在降解和电子传递相关功能基因和功能互作网络，为水体环境中SAs的强化降解去除和评估微生物介导的归趋与转化提供充分的理论基础和技术支撑。

针对水环境中频繁检出的磺胺类抗生素去除紧迫性以及控制抗生素抗性基因蔓延必要性，本项目耦合磺胺类抗生素生物降解过程与厌氧呼吸过程，研究分散式电子受体（如硫酸盐）和固定式电子受体（生物电化学系统阳极）条件下磺胺类抗生素（甲氧苄啶）生物降解、代谢途径与功能微生物菌群特征，揭示甲氧苄啶-微生物-电极之间潜在电子传递机制。通过项目实施，以城市活性污泥和河流沉积物为初始接种物，成功富集了甲氧苄啶降解微生物菌群。功能菌群能够通过去甲基化转化甲氧苄啶，羟基取代的去甲基化产物(4-desmethyl-TMP)被进一步降解。厌氧生物降解甲氧苄啶遵循三参数S型动力学模型。潜在降解菌(醋酸杆菌属、脱硫弧菌属、脱硫叶菌属和未鉴定Peptococcaceae)和发酵菌(Lentimicrobium和Petrimonas)在功能菌群中显著富集。两种甲氧苄啶降解菌群具有相似的核心微生物组。以活性污泥等作为接种源和生物电化学系统阳极作为固定式电子受体，在TMP作为唯一碳源和乙酸钠作为共基质时，TMP均能够被厌氧生物降解。电化学循环伏安分析表明乙酸钠与TMP驯化的阳极生物膜活性高于TMP为唯一电子供体的阳极生物膜。两种培养条件下TMP厌氧生物降解途径相同。一条途径为羟基取代甲基生成4-去甲基-TMP，再被氧化及羟基化和侧链裂解生成2,4-二氨基嘧啶-5-羧酸（DAPC）；另一条途径是嘧啶环和苯环连接处发生羟基取代反应生成TP 306，再被氧化及水解裂解形成嘧啶环和苯衍生物，最终嘧啶环和苯衍生物开环为小分子酸被阳极呼吸细菌利用。共基质下阳极菌群电活性菌属（Geobacter、Comamonas和Pseudomonas）丰度显著高于TMP为唯一碳源模式，阳极生物膜中电活性菌与污染物降解菌存在正相关关系。本项目研究成果将为水环境中磺胺类抗生素的强化生物处理和评估微生物介导的归趋提供理论基础和技术支撑。