《Bioresource Technology Reports》：Degradation of nitrogen-containing pharmaceuticals by anammox bacteria: Inhibition and nitrogen removal
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希洛·博尔登|莉莉丝·阿斯泰特·瓦斯奎兹|大卫·利普森|波琳娜·波波娃|娜塔莉·姆拉德诺夫美国加利福尼亚州圣地亚哥市92182，圣地亚哥州立大学土木、建筑与环境工程系摘要厌氧氨氧化菌能够有效去除废水中的氮，被广泛用于处理含有高浓度药物的浓缩液等侧流废水。为评估厌氧氨氧化菌在降解含
希洛·博尔登|莉莉丝·阿斯泰特·瓦斯奎兹|大卫·利普森|波琳娜·波波娃|娜塔莉·姆拉德诺夫
美国加利福尼亚州圣地亚哥市92182，圣地亚哥州立大学土木、建筑与环境工程系
摘要
厌氧氨氧化菌能够有效去除废水中的氮，被广泛用于处理含有高浓度药物的浓缩液等侧流废水。为评估厌氧氨氧化菌在降解含氮药物中的作用，我们将厌氧氨氧化菌富集反应器中的生物量置于含有咖啡因、卡马西平、磺胺甲噁唑、甲氧苄啶和氟西汀的合成废水混合物中。这些化合物以较高浓度加入，这类浓度在农业废水或城市污泥及侧流处理过程中较为常见。尽管在此环境下铵的去除效率显著下降，但总溶解氮的去除效率依然很高。16S rRNA基因测序结果显示，药物的存在改变了微生物群落结构，导致包括Candidatus Brocadia sinica和Ca. Brocadia fulgida在内的厌氧氨氧化菌相对丰度降低，而反硝化菌的丰度则上升。含有厌氧氨氧化菌反应器生物量的培养体系比无生物对照组和热处理组具有更高的药物去除效率，但仅咖啡因和甲氧苄啶的去除效果显著。由于分析限制，氟西汀和磺胺甲噁唑无法进行定量，因此未纳入去除效果分析，这也是本研究的一个局限性。异养菌Zeimonas arvi和Aggregatilinea lenta的丰度增加，可能通过共代谢作用参与了药物的去除。这项研究有助于更好地了解含厌氧氨氧化菌的厌氧菌群的适应性，以及多种药物混合物对依赖生物脱氮系统的影晌。
引言
厌氧氨氧化技术是一种处理富含氨的农业废水（Zubair等人，2020）以及污泥消化产生的废水，如消化液上清液或浓缩液的有效方法，这类废水中的药物浓度通常高于城市废水（Wang等人，2021；Genz和Reemtsma，2022）。与传统的脱氮工艺相比，厌氧氨氧化工艺在厌氧条件下能耗更低，无需额外添加碳源，且处理过程中产生的污泥量较少（Kartal等人，Ren等人，2022）。Van de Graaf等人（1995）和Strous等人（1998）的奠基性研究详细阐述了厌氧氨氧化工艺及构建稳定细菌群落的方法，指出厌氧氨氧化菌生长速度较慢，且容易在非最佳环境中受损。鉴于这一特性，一些研究探讨了药物及其他新兴污染物对它们的抑制作用（Gamoń等人，2021；Wang等人，2021）。不过，关于厌氧氨氧化菌在高浓度药物环境下的反应，以及同时接触多种药物时的表现，仍有许多未知之处。
由于药物在水体中普遍存在且难以分解（Wilkinson等人，2022），它们可能具有环境毒性（Gunnarsson等人，2008），还会促进抗生素耐药性的产生（Mutuku等人，2022），因此人们致力于采取措施减少其在环境中的扩散。药物在环境中的扩散与废水排放密切相关（Samal等人，2022），这促使人们研究有效的处理技术，以降低出水中的药物浓度。此前已有研究通过评估部分硝化/厌氧氨氧化（PN/A）（de Graaff等人，2011；Kassotaki等人，2018；Laureni等人，2016）和部分反硝化/厌氧氨氧化（PD/A；Zhang等人，2022）系统中的药物降解情况，探索新的厌氧氨氧化处理方法。然而，目前仍存在诸多知识空白，尤其是关于在厌氧氨氧化处理过程中可能发生转化的含氮药物的去除机制，以及PD/A环境中药物存在后厌氧氨氧化反应器内微生物群落组成的变化。
为满足这些研究需求，我们开展了批次实验，将厌氧氨氧化菌富集反应器中的生物量与含氮药物化合物混合，旨在研究：1）多种药物共同存在时对PD/A工艺中氮去除的抑制作用；2）药物暴露后微生物群落的结构变化；3）该微生物群落降解混合液中含氮药物的能力。
章节节选
实验装置
实验所用的生物量来自两台FR-SE型号（尺寸为8.1厘米×37.1厘米）的Aqua Maxx T-X二级介质钙反应器，这类反应器用于厌氧氨氧化菌富集，相关细节见Popova等人（2025）的研究。反应器1的介质为熔岩岩，工作容积为0.83升；反应器2的介质为康奈尔品牌卷发棒形状的聚酯塑料圆柱体，工作容积为1.21升。这两个反应器均维持在厌氧环境中。
生物量的厌氧氨氧化活性
此前已对接种生物量中的微生物群落进行研究，发现其中存在两种主要的厌氧氨氧化菌，即Candidatus Brocadia sinica和Candidatus Brocadia fulgida（Popova等人，2025）。在本研究中，尽管时间间隔一年，来自相同富集反应器的生物量中依然存在这两种菌，同时还出现了一种此前未被检测到的厌氧氨氧化菌——C. Brocadia caroliniensis。层次聚类热图显示
局限性
为保证透明度，本节总结了解读研究结果时需考虑的关键局限性。首先，在我们的培养实验中，向厌氧氨氧化菌生物量中添加的五种药物中有两种无法通过HPLC-MS方法准确定量。经分析，药物标准品和样品中均未检测到氟西汀的峰，而磺胺甲噁唑的峰信号不稳定，无法建立校准曲线，进而无法获得准确的浓度值。
结论
本研究探讨了在高浓度药物混合物作用下，以厌氧氨氧化菌为主的微生物群落的适应能力及降解能力。研究结果表明，当暴露于浓度为生活污水中常见浓度的10倍至1000倍的高浓度五种含氮药物时，厌氧氨氧化菌富集反应器中的生物体的铵氧化能力显著下降。
CRediT作者贡献说明
希洛·博尔登：写作——审稿与编辑，写作——初稿撰写，可视化，方法学，研究实施，资金获取，正式分析。莉莉丝·阿斯泰特·瓦斯奎兹：写作——审稿与编辑，写作——初稿撰写，验证，监督，资源提供，方法学，研究实施，数据整理。大卫·利普森：验证，监督，资源提供，方法学，正式分析。波琳娜·波波娃：写作——审稿与编辑，资源提供。娜塔莉·姆拉德诺夫：写作——审稿与编辑，写作——
关于写作过程中生成式AI及AI辅助技术的声明
在准备本研究时，希洛·博尔登和娜塔莉·姆拉德诺夫使用了ChatGPT来协助提升语言表达、清晰度及句子结构。使用该工具后，两位作者对内容进行了必要的审阅和修改，并对最终发表文章的内容负全责。
资金支持
本研究得到了美国国立卫生研究院下属的国家普通医学科学研究所的资助[资助编号5T34GM008303，1T34GM149430]。这些资金提供方并未参与研究的设计、数据收集、分析解读、报告撰写或文章投稿决策等环节。
我们感谢圣地亚哥州立大学的学生志愿者Kiara Gambuzza和Grace Parry在生物量投加方面的帮助，同时也要感谢
未引用参考文献
Batt等人，2006
Guo等人，2025
Hyman等人，1988
Kartal等人，2013
Lim等人，2018
O'Sullivan等人，2014
Rasche等人，1991
