共代谢降解土壤中强介质吸附型抗生素的微生物学机制研究

The enrichment of antibiotics with high sorption coefficient (Kd) in soils has become an environmental issue. The applicant hereby puts forward an idea of using co-metabolism to promote the degradation of these antibiotics in soil. This study selects oxytetracycline and norfloxacin as target compounds and simulates the soil infiltration process. Firstly, the influence of co-substrates (sodium acetate and ammonium sulfate) on the degradation of antibiotics, the shift of microbial community and the abundance of antibiotic resistance genes are investigated during soil infiltration process. The stable isotope probe-based metaproteomics is then employed to explore the critical microorganisms and functional proteins involved in metabolism and co-metabolism of antibiotics. On the other hand, from the two perspectives of antibiotic wastewater treatment and antibiotic contaminated soil remediation, specific microorganism inhibitors and reverse transcription quantitative PCR assay are used to investigate the ability of ammonia oxidizing prokariotes to degrade antibiotics co-metabolically and the contribution of related microbial genera. Based on these works, we hope to preliminarily reveal the underlying mechanisms of microbial ecology and molecular biology during antibiotic metabolism and co-metabolism in soil, and promote the development of theory and technology for environmental antibiotic pollution control.

针对强介质吸附型抗生素在土壤中富集的环境问题，申请人提出共代谢促进土壤中强介质吸附型抗生素降解的研究思路。项目以土霉素和诺氟沙星为对象，首先模拟土壤渗滤过程，研究乙酸钠和硫酸铵作为共代谢基质促抗生素降解的效果和对微生物群落和抗生素抗性基因的驱动；然后采用基于稳定同位素标记的蛋白组分析方法，探明参与抗生素代谢/共代谢降解的主要菌群和功能蛋白，提出抗生素代谢途径。另一方面，从抗生素废水处理和抗生素污染土壤修复两个角度，采用特殊菌群抑制剂和反转录定量PCR检测方法，研究氨氧化菌共代谢降解抗生素的能力和相关菌群的贡献。我们希望通过这些工作，初步阐明土壤抗生素代谢/共代谢的微生物生态和分子生物学机制，促进环境抗生素污染控制理论和技术的发展。

本项目围绕土壤抗生素共代谢的微生物过程和机制开展研究。首先通过批次实验探索能够促进土壤抗生素共代谢的共基质条件，从抗生素降解效率和土壤微生物群落组成及多样性分析结果，我们发现额外添加碳源（无氮源辅助）更能促进土壤抗生素的降解；在此基础上，我们比较了秸秆及其两种转化产物促进土壤抗生素降解的能力以及其间微生物的响应特征，研究从农业实践角度印证了秸秆通过提供有机质促进了NOR的共代谢降解，此外秸秆和生物炭显著改变了抗生素耐药性的变化，其中秸秆是控制抗性基因相对丰度的最佳选择；在共代谢机制探讨方面，我们采用稳定同位素探针技术（SIP）深入发掘土壤抗生素共代谢关键菌群和功能基因/蛋白，从梯度离心不同组分微生物群落迁移情况可以判断出放线菌Nocardioidaceae和 Intrasporangiaceae在SMX降解过程参与度最高，而蛋白-SIP结果验证了这个结论，功能注释结果表明受标记的优势蛋白主要执行催化活性、结合功能和转运功能；根据农业土壤抗生素与微塑料共存的现象和生物降解塑料有机质释放速度较快的特点，我们开展了生物降解塑料促进土壤抗生素共代谢降解以及微生物响应研究，结果显示：PBAT比PHA更能促进土壤SMX的降解是因为它的有机质释放量更大，而老化处理弱化了这一现象，释放的有机质提高了Arthrobacter等特殊微生物的生长并改变了微生物群落组成和多样性是各个处理组抗生素降解效率差异的内在原因；在氨氧化菌共代谢降解抗生素方面，我们构筑了土壤硝化反应器，研究发现上升流向更有利部分硝化的稳定运行，研究结果证实了抗生素降解与氨氮降解速率的关联，但否定了部分硝化的亚硝积累对抗生素降解的贡献。