将Aspergillus terreus RJJ-62固定在一种新型复合材料中：其性能、红霉素降解机制以及在废水处理中的应用

《Environmental Research》：Immobilization of Aspergillus terreus RJJ-62 in a novel composite: performance, mechanism of erythromycin degradation and application in wastewater treatment

红霉素降解真菌青霉属 Terreus RJJ-62 分离及其固定化系统开发，通过PVA-SA-活性炭载体显著提升降解效率（47.66%至100%），并揭示红霉素经脱水、脱糖和酯键水解的新代谢途径。

　　

李春宇|张建宁|钟家豪|张文帆|翟旭鑫|任丽仁|李志杰|陶莉华|陈勇|任建军

常州市生物质绿色、安全与高值利用技术重点实验室，常州市城乡矿业研究院，中国常州市武进区 Gehu 路 21 号，213164

摘要

抗生素红霉素是一种在水环境中频繁检测到的污染物。微生物降解是消除红霉素污染的关键方法。然而，迄今为止仅分离出少数几种能够有效降解红霉素的真菌，其降解机制及其应用潜力仍不甚明了。本研究从受污染的样本中分离出一种新的红霉素降解真菌——Aspergillus terreus RJJ-62。此外，利用 RJJ-62 菌株、活性炭、聚乙烯醇和海藻酸钠开发了一种真菌固定化系统，以增强红霉素的降解能力。RJJ-62 菌株在 120 小时内降解了 100 mg/L 的红霉素 47.66%，而固定化的 RJJ-62 使降解效率提高了 25.79%。通过 HPLC-MS/MS 识别出红霉素的四种关键中间产物，并揭示了一种新的降解途径：红霉素主要通过脱水、脱糖和酯键水解反应降解为简单产物。对中间产物的生物毒性分析表明，该方法能有效净化水环境中的红霉素。固定化的 RJJ-62 在处理复杂废水时表现更为优异，7 天内分别降解了 10 mg/L 和 50 mg/L 的红霉素 100%。因此，本研究为水环境中红霉素的去除提供了一种可行的方法，并加深了我们对真菌降解红霉素过程的理解。

引言

自 20 世纪 50 年代以来，红霉素被广泛用于治疗患者的呼吸道、皮肤和软组织细菌感染（Liu 等，2017）。近年来，每年有大量红霉素被用作畜牧业和水产养殖中的兽药和饲料添加剂（Liu 等，2017；Shen 等，2019）。然而，只有 5%-30% 的红霉素能被身体完全代谢，大部分通过粪便和尿液排出体外（Du 和 Liu，2012）。此外，发酵和医院治疗过程中产生的废物中的残留红霉素有可能泄漏到环境中（Shen 等，2019）。红霉素在自然条件下难以降解，容易在土壤和水环境中积累（Cai 等，2020）。例如，中国某些流域的地表水中红霉素残留浓度在 0.5 至 15.6 μg/L 之间，欧洲乳制品中的红霉素检出率超过 12%（Li 等，2019b）。红霉素对生态系统的危害主要体现在抑制环境微生物群落和促进耐药基因的富集（Jessick 和 Coats，2013；Wang 等，2025）。此外，残留红霉素会干扰水生生物的酶系统，抑制微生物群落功能；还会通过食物链的生物累积导致人类过敏反应、肠道微生物群失衡以及潜在的肝脏和肾脏损伤（Wang 等，2025）。因此，开发高效的红霉素降解技术是环境科学和毒理学领域的紧迫课题。

目前，已开发出多种传统方法（如吸附、高级氧化工艺、光催化降解和膜分离技术）来去除红霉素（Li 等，2019a；Xie 等，2023）。但这些方法通常因成本高、效率低和产生有毒物质而应用受限。与上述方法相比，微生物降解是一种理想的方法，因为它具有环保性，产生的代谢物毒性较低且能耗较低（Zhang 等，2017）。迄今为止，已报道了许多能够降解红霉素的细菌，包括 Bacillus thuringiensis、Rhodococcus gordoniae 和 Paracoccus 等，它们的降解酶可将红霉素转化为毒性较低甚至无毒的小分子化合物（?abi? Runjavec 等，2015；Zhou 等，2018）。关于红霉素降解的研究主要集中在细菌物种上，而使用降解红霉素的细菌可能会导致抗生素耐药基因在环境中的富集和传播，增加耐药基因转移到其他微生物的风险。红霉素作为一种广谱抗生素，可通过可逆结合 50S 核糖体亚基来抑制细菌的生长和繁殖，从而抑制蛋白质合成，但不会影响真菌的核糖体或细胞生长（Aydin，2016）。因此，利用真菌降解红霉素可以减少抗生素污染，降低耐药基因传播的风险，为环境修复提供新的途径。此外，真菌在红霉素降解方面具有独特优势，能产生多种降解酶并具有多样的代谢途径（Olicón-Hernández 等，2017）。真菌的生长条件相对温和，适应性强，能在不同环境条件下发挥作用。然而，能够安全高效降解红霉素的真菌菌株很少被分离和报道，关于红霉素生物降解机制的研究也非常有限（Aydin，2016；Li 等，2025b）。此外，真菌降解红霉素的过程和机制仍不明确。由于每种真菌的生理特性和降解机制不同，其对物质的耐受性和降解效率也各不相同。因此，有必要分离出具有更强适应性和更低生态风险的高效红霉素降解真菌，并探索其降解行为和机制。为了进一步改进生物修复系统，需要分离一些红霉素降解真菌并研究其降解特性。

在大规模应用中，微生物的降解能力受到适应性强弱、有毒污染物以及环境因素变化的影响（Berillo 等，2021）。为解决这些问题，人们广泛研究了固定化微生物系统，以有效提高微生物的环境适应性。例如，将 Bacillus subtilis WL08 细胞固定在竹炭和海藻酸钠中用于降解二甲四氯，其降解能力优于自由生长的细胞（Zhang 等，2020）。同样，固定在 PVA-SA 基质中的褐腐菌和 MOF UiO-66 在降解亚甲蓝方面表现出更好的脱色效果（Alkas 等，2023）。尽管 PVA/SA/生物炭（0.7%）固定的微生物在第五轮仍具有良好的噻虫嗪去除效率，但由于复合材料的机械强度问题导致珠子受损（Xiang 等，2023b）。同样，固定在生物炭上的 Aspergillus sydowii 成功用于降解 DEHP，但由于结构松散仅能使用三次（Li 等，2025a）。显然，开发一种保持结构完整性和可重复使用的多功能固定化材料对于降低长期成本和环境影响至关重要。

基于以上研究，从长期受红霉素污染的污泥中分离出一种新的红霉素降解菌株 Aspergillus terreus RJJ-62，并利用基于 PVA-SA-生物炭的固定化基质开发了 RJJ-62 的固定化系统。根据 RJJ-62 在不同环境因素下的降解效率优化了其生物降解条件，并评估了其可重复使用性和适用性。此外，通过 LC-MS/MS 识别了红霉素的降解产物，并根据其特征中间产物推断出降解途径。最后，评估了 RJJ-62 在废水中的降解效率。我们的研究结果为开发用于修复水环境中红霉素污染的固定化微生物技术提供了可行的策略。

部分内容片段

红霉素降解菌株的分离与鉴定

从中国江苏省常州市的一家制药厂收集活性污泥。将 10 克污泥加入含有 100 mg/L 红霉素的 90 mL 最小盐培养基（MSM，0.5 g K₂HPO₄、0.5 g KH₂PO₄、0.2 g MgSO₄、1 g NaCl 和 1 g NHCl₄，以及 1 L 超纯水，pH 值为 7.0）中，然后在 30°C 下以 170 转/分钟的振荡速度培养 7 天。随后，将 1 mL 的富集液转移到新鲜的 MSM 培养基中

红霉素降解真菌的分离

仅从污水中分离出一种名为 RJJ-62 的真菌菌株，它具有降解红霉素的能力。其在 PDA 平板上的形态特征为圆形、扁平、有光泽的白色菌落（图 S1a）。RJJ-62 菌株（MN759652）的 ITS rDNA 序列与 A. terreus SHPP01（JF738047）的 ITS 序列具有 99.83% 的相似性。基于 ITS 序列构建的 RJJ-62 系统发育树显示，RJJ-62 与 A. terreus SHPP01 同属一个分支

结论

总之，分离并鉴定了能够降解红霉素的新真菌 Aspergillus terreus RJJ-62。通过 HPLC-MS/MS，我们成功识别了红霉素降解过程中的四种代谢产物，并提出了一种新的降解途径。该途径表明 RJJ-62 可以通过脱水、糖酵解和酯键水解反应将红霉素完全降解为毒性较低的产品。

CRediT 作者贡献声明

张文帆： 数据分析。翟旭鑫： 软件处理。任丽仁： 监督与资源管理。李志杰： 数据管理。陶莉华： 监督。陈勇： 监督。任建军： 文章撰写、审稿与编辑、资金获取、概念构思。李春宇： 文章撰写、方法设计、实验研究、概念构思。张建宁： 方法设计、数据管理。钟家豪： 项目管理

未引用的参考文献

Du 等，2012；Li 等，2019；Liu 等，2024；Xiang 等，2023。

利益冲突

无需要声明的利益冲突。

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工作。

致谢

本工作得到了中国江苏省高等学校自然科学基金重大基础研究项目（23KJA610001）、江苏省研究生研究与创新计划（SJCX_1640 和 SJCX24_1719）以及国家大学生创新创业训练计划（202510292023）的财政支持。特别感谢常州市分析测试中心在化学分析方面的支持。