《Water Research》：Mechanisms for the phytohormone-elevated performance of a continuous-flow baffled cyanobacterial photo-bioreactor for antibiotic removal and lipid production
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Zhihao Yao|Guannan Lin|Ying Liu|Jian Zhang中国山东省青岛市山东大学环境科学与工程学院，邮编266237摘要将Synechococcus sp.、Chroococcus sp.和Synechocystis sp.的混合物固定在添加了吲哚-3
Zhihao Yao|Guannan Lin|Ying Liu|Jian Zhang
中国山东省青岛市山东大学环境科学与工程学院，邮编266237
摘要
将Synechococcus sp.、Chroococcus sp.和Synechocystis sp.的混合物固定在添加了吲哚-3-乙酸的海藻酸钙微球中，然后放入四室隔板式光生物反应器中。利用该系统对二级废水进行30天的连续处理后，COD的去除率可达74.08–85.12%，TN为87.52–96.89%，TP为95.36–99.26%，头孢氨西林的去除率为84.02–88.36%，红霉素为67.15–75.57%，氧四环素为91.17–96.05%，诺氟沙星为74.76–78.87%。其中Chroococcus sp.对污染物的去除贡献最大，其含量与各类污染物的浓度呈负相关。蓝细菌微球内的细菌定植、与信号转导、群体感应及生物膜形成相关的基因表达上调，以及蓝细菌与七种细菌属（Acidovorax、Chitinophaga、Massilia、Algoriphagus、Chryseobacterium、Comamonas和Candidatus）之间的关联，都表明形成了蓝细菌与细菌的共生复合体。高效的污染物去除得益于吲哚-3-乙酸对蓝细菌生物量的促进，以及微球内微生物中与应激反应、TCA循环、氧化磷酸化和污染物代谢相关的基因被激活。废水中抗生素抗性基因含量的降低可能是由于错配修复途径被激活以及水平基因转移受到抑制。抗生素、共生细菌Azospirillum以及吲哚-3-乙酸共同促进了蓝细菌的生长和脂质积累，使得蓝细菌的脂质产量高达47.59–51.82 mg/(L·d)，这一效应主要源于与卡尔文循环、戊糖磷酸途径和脂肪酸生物合成相关的基因表达上调。总体而言，本研究提出了一种整合污染物去除、抗性控制及资源回收的可持续策略。
引言
近年来，随着人们对医疗服务需求的增加，全球抗生素消耗量显著上升（Roberts和Zembower，2021）。患者体内未被完全吸收的抗生素主要进入污水处理厂，而传统的污水处理技术往往无法有效去除这些抗生素，因此经常在污水中检测到抗生素污染物（Liu等，2023）。例如，污水处理厂的二级出水中含有头孢氨西林、红霉素、氧四环素和诺氟沙星，其浓度分别可达1.80 μg/L、4.20 μg/L、2.01 μg/L和1.02 μg/L（Gulkowska等，2008；Tran等，2018；Wang等，2019；L?ffler等，2023）。含有抗生素污染物的污水排入水体后，不仅会破坏水生微生物群落的正常结构，还会促进耐抗生素细菌及抗生素抗性基因的出现和传播（Amarasiri等，2020）。鉴于抗生素污染物带来的诸多环境和公共卫生风险，对这类污水进行深度处理受到了广泛关注（Gasana等，2025）。
目前已有多种物理、化学和微生物技术被用于处理含抗生素污染的污水，其中微生物技术的运行成本和能耗最低（Phoon等，2020；Lu等，2023）。近期研究发现，蓝细菌可以与污水中的细菌协同降解抗生素（Zambrano等，2023），并在抗生素压力及共生细菌的刺激下积累过多脂质（Tong等，2023）。此外，用海藻酸钙凝胶固定蓝细菌细胞有助于收集蓝细菌生物量（Lapponi等，2022）。因此，蓝细菌处理被视为一种具有经济价值的微生物方法，可用于净化含抗生素污染的污水。不过，目前所报道的蓝细菌去除抗生素的效率仍不足以满足实际应用需求（Abdelfattah等，2023）。
有一些方法可以提高蓝细菌的污染物去除效率。首先，将多种微藻或蓝细菌菌株共培养，可增强其对复杂污水环境的适应能力，提高污染物去除效率（Alam等，2022）。例如，Chlorella sp.、Euglena sp.与蓝细菌共培养时，总氮、总磷和化学需氧量的去除率可分别提升至86.60%、74.80%和78.80%（Phyu等，2026）。Chlorella sp.与Scenedesmus sp>的混合培养可使布洛芬的去除率提高40%（Matamoros等，2016）。其次，据报道，带隔板的生物反应器可通过涡流促进微生物与污染物分子之间的混合，从而显著提高污染物去除效率（Liu等，2024a）。第三，植物激素可通过促进生物量积累来提升微藻的抗生素去除性能（Liu等，2024b）。目前，无论是用于混合蓝细菌培养的带隔板生物反应器，还是植物激素刺激技术，都尚未在含抗生素污染的污水处理中得到应用。
在本研究中，将Synechococcus sp.、Chroococcus sp.和Synechocystis sp>的混合物用海藻酸钙凝胶固定，然后在四室隔板式连续流光生物反应器中培养，该反应器被用于深度处理含有头孢氨西林、红霉素、氧四环素和诺氟沙星四种抗生素的污水（Li等，2020）。选择这三种蓝细菌菌株是因为它们无毒、生长速度快，且具备降解抗生素的能力（Fang等，2024；Xie等，2025）。选择这四种目标抗生素是因为它们属于四大类抗生素——β-内酰胺类、大环内酯类、四环素类和氟喹诺酮类，在污水处理厂中普遍存在，持久性强，且已被证实会推动抗生素抗性的产生（Li等，2020）。在蓝细菌凝胶基质中加入了典型的植物激素吲哚-3-乙酸。在有无吲哚-3-乙酸的不同条件下，分析了COD、TN、TP、目标抗生素及相关抗生素抗性基因的去除情况，以及蓝细菌脂质的产量，同时还研究了蓝细菌与污水中细菌之间的相互作用，以此评估该隔板式蓝细菌光生物反应器的性能。通过宏转录组分析，研究了吲哚-3-乙酸提升污染物去除效率和脂质产量的机制。
章节节选
实验材料
Synechococcus sp.（FACHB-1061）、Chroococcus sp.（FACHB-193）和Synechocystis sp.（FACHB-898）在实验室控制条件下，分别在BG-11培养基中培养。四种目标抗生素（头孢氨西林、红霉素、氧四环素和诺氟沙星）以及纯度≥99.5%的植物激素吲哚-3-乙酸均购自中国 Tanmo质量检测技术有限公司，这些物质均储存在甲醇中。实验所用的二级污水取自中国济南的一家污水处理厂，其中含有这四种抗生素的背景浓度
吲哚-3-乙酸对污染物处理效果的影响
进水中的COD、TN和TP浓度分别处于49.32–52.26 mg/L、14.84–15.62 mg/L和1.87–2.14 mg/L之间（图1；图S2）。经过两天的调试期后，不添加吲哚-3-乙酸的隔板式光生物反应器在后续的连续运行中，COD的去除率可达61.10–69.68%，TN的去除率为83.37–92.30%，TP的去除率为90.14–93.18%。因此，出水中的COD、TN和TP浓度分别降至15.46–19.45 mg/L、1.17–2.58 mg/L
吲哚-3-乙酸对光生物反应器性能的调控作用
在本研究中，含有固定化蓝细菌混合物的隔板式光生物反应器能够高效去除污水中的TN、TP、COD以及常见的抗生素污染物，同时还能产生脂质。添加吲哚-3-乙酸后，反应器系统的污染物去除效率和脂质产量都会同步提升。TN和TP的去除可归因于蓝细菌直接从污水中吸收这些物质，将其作为生长所需的营养物质
结论
本研究利用含有添加了吲哚-3-乙酸的海藻酸钙微球的隔板式光生物反应器，对含抗生素污染的污水进行连续处理，结果显示COD、TN、TP以及四种常见抗生素（头孢氨西林、红霉素、氧四环素、诺氟沙星）的去除效率均十分稳定且较高。在这些微球内部，三种混合蓝细菌菌株与污水中的细菌形成了共生复合体，共同参与污染物的去除。该复合体通过激活某些机制，降低了出水中的抗生素抗性基因含量
CRediT作者贡献说明
Zhihao Yao：论文撰写——初稿撰写、实验研究、数据分析、数据整理。Guannan Lin：数据分析。Ying Liu：论文撰写——审阅与编辑、研究方法设计、资金获取、研究构思。Jian Zhang：项目指导。
利益冲突声明
作者声明，他们不存在任何可能影响本文研究结果的已知财务利益关系或个人关系。
致谢
本研究得到了中国国家自然科学基金的支持（项目编号：22376123）。
