跨域微生物协作促进了磺胺甲噁唑在湖泊沉积物中的原位生物降解

《Environmental Nanotechnology, Monitoring & Management》：Inter-domain microbial collaboration drives sulfamethoxazole in situ biodegradation in lake sediments

磺胺甲噁唑（SMX）在太湖沉积物中的降解机制及细菌-真核生物互作研究采用DNA-SIP、高通量测序和MENAP分析，发现Burkholderia-Caballeronia-Paraburkholderia、Lysobacter等细菌及Scenedesmus真核生物主导降解，细菌-真核生物网络复杂度与降解率显著正相关（P<0.001），并通过营养供给与捕食调控实现协同降解，涉及羟基化、乙酰化等代谢途径。

　　

方旺凯|张焕军|李毅|周静雅|张子伟

中国教育部湖沼综合调控与资源开发重点实验室，河海大学环境学院，南京，210098

摘要

磺胺类抗生素（SAs）是水生生态系统中的普遍污染物，对抗生素抗性的传播起着重要作用。微生物降解是水环境中去除SAs的主要途径，这依赖于细菌和真核生物之间的协同作用。然而，这些跨领域相互作用如何调控SMX的降解过程仍不清楚。本研究采用了一种综合方法，结合了DNA稳定同位素探针技术（DNA-SIP）、高通量测序和分子生态网络分析流程（MENAP），来探究湖泊沉积物微宇宙中参与磺胺甲噁唑（SMX）降解的功能微生物及其生物降解过程。经过30天的培养后，SMX的矿化率在5.2%到19.2%之间。DNA-SIP技术鉴定出了多种功能细菌和真核生物，主要包括Burkholderia-Caballeronia-Paraburkholderia、Lysobacter、BOLA868和Scenedesmus。在培养过程中，跨领域网络的复杂性增加，正相关比例上升，细菌-真核生物之间的联系也更加紧密。此外，子网络的平均度与SMX的矿化率显著正相关（P < 0.001）。路径分析表明，细菌、真菌和藻类直接参与了SMX的降解，而后生动物和原生动物则通过自上而下的捕食作用间接促进了降解过程。UPLC-MS/MS分析显示，微生物对SMX的降解途径包括羟基化、乙酰化、脱氨、硝基化以及N-O和S-N键的断裂。总体而言，本研究强调了细菌-真核生物跨领域合作在原位 SMX降解中的关键作用，并为受SMX污染的水体生物修复提供了宝贵见解。

引言

磺胺类抗生素（SAs）是一类广泛用于人类和动物疾病预防和治疗的合成抗菌剂（Qiao等人，2018年）。据报道，中国畜牧业每年消耗约8000吨磺胺类抗生素，占抗生素总消耗量的50%以上（Mulchandani等人，2023年；Zhang等人，2015年）。然而，大多数SAs在生物体内的代谢速率较低，经常以原始形式或代谢物通过尿液和粪便排出，最终通过废水处理系统或农业非点源污染进入水生和土壤环境（Srinivasan和Sarmah，2014年）。磺胺甲噁唑（SMX）作为一种典型的磺胺类抗生素，在废水、地表水、沉积物甚至饮用水中均被广泛检测到（Guo等人，2019年；Rogue等人，2025年；Wang等人，2023年）。例如，SMX从污水处理厂排放到水生环境中的浓度范围为0.01至2.00 μg/L（Chen等人，2017年）。水体中SMX残留物会对水生生物产生生理毒性，干扰藻类光合作用，并对微生物群落施加选择压力。这些效应促进了抗生素抗性微生物的出现以及抗生素抗性基因（ARGs）的进化和传播，对生态系统稳定性和全球健康构成重大威胁（Perry和Wright，2013年；Yang等人，2021年）。

生物降解是自然环境中去除SMX的关键途径（Zhang等人，2022年）。目前关于SMX生物降解的研究主要集中在其宏观降解动力学和复杂基质中的环境归趋（Li等人，2020年；Radke等人，2009年）、纯培养降解菌株的分离（Mulla等人，2018年；Wang和Wang，2018年），以及使用DNA稳定同位素探针（DNA-SIP）等非培养技术鉴定原位细菌降解菌（Chen等人，2022a，2024年）。同时，越来越多的证据表明真核生物在抗生素降解中起着重要作用（Chu等人，2024年；Wu等人，2025年）。研究表明，真核生物主要通过自上而下的捕食作用和自下而上的营养供应影响有机污染物的降解（Brad等人，2008年）。例如，研究人员通过优化微藻（Chlorella vulgaris）和真菌（Aspergillus oryzae）的共培养，实现了对猪废水中磺胺类抗生素（SMZ、SMM和SMX）的有效去除（Li和Zhu，2023年）。然而，相关研究仍然较为分散，因为细菌和真核生物对抗生素降解的贡献通常被分别研究，忽视了这一过程中不可或缺的跨领域相互作用。尽管研究表明藻类-细菌共生系统（ABSS）在水产养殖废水中能有效降解四环素类抗生素（去除率高达87%）（Ren等人，2024年），但在原位条件下细菌-真核生物相互作用驱动SMX降解的具体机制仍不明确。

网络分析的最新进展为描述群落组成和丰度提供了更全面的框架（Rowland等人，2020年）。通过网络方法识别的共现模式增强了我们推断群落成员之间潜在相互作用的能力（Liu等人，2023年）。单分类群的网络分析已广泛应用于土壤（Liu等人，2024年）、水生环境（Merz等人，2023年）和人类微生物组（Fu等人，2025年）中的物种相互作用研究，但关于跨领域共现网络的研究仍较少。有限的证据表明，细菌-真菌网络拓扑与土壤生态系统中的群落功能之间存在广泛联系。例如，在不同营养状况的土壤中，细菌和真菌之间的跨领域网络复杂性有所不同，真菌能够将营养物质从营养丰富的栖息地转移到营养贫乏的细菌中（Slanzon等人，2025年）。同样，根际研究表明，在感染细菌性萎蔫病原体的植物中，细菌和真菌之间的关联更为明显，表明互惠的真菌-细菌相互作用有助于抵抗病原体入侵（Tan等人，2021年）。这些发现表明微生物网络拓扑与生态系统功能之间存在紧密关系。然而，湖泊沉积物中SMX降解过程中细菌-真核生物跨领域网络是否发生变化，以及这些变化如何驱动降解过程，目前仍需进一步探索。

本研究以SMX作为模型抗生素，建立了太湖沉积物的微宇宙系统。利用DNA-SIP技术、高通量测序和跨领域生态网络分析，研究了参与典型磺胺类抗生素生物转化的功能微生物。本研究的主要目标是：（1）识别参与原位 SMX降解的功能细菌和真核生物；（2）探讨跨领域网络的拓扑特征及其驱动SMX降解的微生物相互作用模式。本研究深入揭示了湖泊沉积物中负责SMX降解的微生物组，以及不同微生物群体之间的跨领域相互作用，为开发有效策略以增强湖泊生态系统中SMX的去除提供了科学依据。

样本采集

太湖位于中国长江三角洲，该地区工业化程度最高、人口密度最大且城市化程度极高，是重要的饮用水来源，在生物多样性保护、交通运输、农业生产及工业发展中发挥着重要作用（Tao等人，2013年）。然而，太湖流域的快速城市化和人类活动导致了严重的抗生素及其抗性基因（ARGs）污染（Chen等人，2019年）

沉积物中SMX的矿化

在30天的培养实验期间，量化了¹³C标记的SMX的累积矿化率和¹³CO₂通量变化（图1和S2）。所有组中的SMX累积矿化率在培养期间逐渐增加，第30天达到最高值。西岸（WS）的SMX累积矿化率最高（19.2%），其次是珠山湾（ZB，10.4%）和贡湖湾（GB，5.2%）（图1）。

与SMX降解相关的功能微生物

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结论

本研究结合了DNA-SIP、高通量测序和MENAP技术，识别了负责原位 SMX降解的功能微生物，并探讨了细菌-真核生物跨领域相互作用驱动SMX降解的机制。DNA-SIP技术鉴定出了多种功能细菌和真核生物，主要包括Burkholderia-Caballeronia-Paraburkholderia、Lysobacter、BOLA868和Scenedesmus。在培养过程中，网络的复杂性、正相关比例等参数均有所变化。

CRediT作者贡献声明

张焕军：资源获取、概念构思。方旺凯：初稿撰写、方法学设计、实验实施、概念构思。周静雅：数据分析、数据管理。李毅：审稿与编辑、监督。张子伟：监督、资源获取、资金筹集

未引用的参考文献

Lindemann等人，2016年；Liu等人，2023年；Wang等人，2023年；Wang等人，2023年；Wang等人，2023年。

利益冲突声明

? 作者声明没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文的研究结果。

致谢

本研究得到了国家重点研发计划（编号：2024YFC3212600）和国家自然科学基金（编号：U25A20370）的支持。