微生物防御中的静电屏蔽与代谢相互作用：解析硝化-反硝化系统对全氟/多氟烷基物质及季铵化合物的双重应激反应

《Journal of Hazardous Materials》：Electrostatic shielding and metabolic interplay in microbial defense: Unraveling the dual stress responses of nitrification-anammox systems to per/polyfluoroalkyl substances and quaternary ammonium compounds

　　

Hanyi Wang|Jingfeng Gao|Zhiqi Wang|Yuxuan Wang|Yi Guo|Hongxin Xu

中国北京市100124，北京工业大学环境工程系，先进市政污水处理与回用技术国家工程实验室

摘要

新兴污染物带来的生态影响以及抗性基因的传播已引起广泛关注。目前尚不清楚全氟/多氟烷基物质与季铵化合物共存时，会对部分硝化-厌氧氨氧化系统产生何种影响。本研究在90天内，评估了复合型全氟烷基物质（全氟辛酸与全氟己酸按3:1比例混合）以及二烯丙基二甲基氯化铵（一种广泛使用的季铵化合物消毒剂）单独或共同作用对三种移动床生物膜部分硝化-厌氧氨氧化系统的影响。研究结果表明，低至中等浓度的二烯丙基二甲基氯化铵可通过增强物理屏蔽、调节电化学性质、提供代谢支持以及激活广谱抗性来减轻复合型全氟烷基物质的毒性，但高浓度时则会加剧抑制作用。此外，复合型全氟烷基物质与二烯丙基二甲基氯化铵的共同作用在三种系统中引发了最活跃的tnpA-04基因水平转移，同时使污泥中的细胞内抗性基因含量达到最高水平。值得注意的是，质体是抗性基因传播的热点区域，在二者共同作用下，se-tnpA-04基因的表达量增加了19.3倍。阴离子型全氟烷基物质与阳离子型二烯丙基二甲基氯化铵之间的相互作用改变了胞外聚合物的电场，进而反向调控了NH₄⁺/NO₂^-的转运速率，而三羧酸循环及移动遗传元素介导的基因水平转移则是推动抗生素抗性基因传播的关键因素。本研究表明，尽管季铵化合物能够暂时提升受全氟烷基物质污染系统的短期氮去除效率，但它会加剧由质体引发的抗性基因风险，因此需要全面评估消毒剂对先进污水处理工艺的影响。

引言

全氟/多氟烷基物质是一类阴离子表面活性剂，数十年来被广泛应用于各类消费品和工业产品中，目前已有超过14000种此类化合物[1]。这主要得益于它们出色的表面活性能和独特的化学稳定性[1]。然而，正是这种稳定性使得它们在环境和人体内难以降解。天然水中的全氟/多氟烷基物质浓度在0.0002到340000纳克/升之间[2]，在严重污染的水体中甚至可达毫克/升级别[3]。如今，全氟/多氟烷基物质已成为全球性的环境污染物，几乎在所有环境介质中都能检测到其存在。长链全氟/多氟烷基物质（如全氟辛酸）因其持久性、生物累积性和毒性而最先引发广泛关注[4]。随着针对长链全氟/多氟烷基物质的限制与消除措施的实施，短链全氟/多氟烷基物质逐渐作为替代品被用于消防泡沫、纺织品以及食品接触材料等领域[4]。不过，这种替代现象使得污染状况变得更加复杂，因为环境中既存在传统的长链全氟/多氟烷基物质，也存在日益增多的短链全氟/多氟烷基物质。污水处理厂不仅是向水体排放全氟/多氟烷基物质的主要点源，也是控制这些物质排放的关键场所。然而，传统生物处理工艺在面对全氟/多氟烷基物质污染时面临诸多挑战。由于其特殊的毒理特性，全氟/多氟烷基物质可能杀死微生物或改变微生物群落结构，从而削弱生物处理工艺的性能与稳定性[5]。以往的研究大多侧重于单一全氟/多氟烷基物质对生物污水处理工艺的影响，因此有必要深入研究复合型全氟/多氟烷基物质混合物对微生物群落、处理效率以及这些持久性污染物在污水处理厂中的最终去向的综合影响。

随着COVID-19疫情的爆发，人们卫生标准和生活习惯的改善推动了消毒产品消费量的增长[6]。其中，美国环境保护局认可为有效消毒成分的季铵化合物被用于对抗SARS-CoV-2病毒[7]。季铵化合物是一类阳离子表面活性剂，可作为抗菌剂、防腐剂和抗静电剂使用[8]。然而，每年使用的季铵化合物中有大约75%最终会进入污水系统，因此城市污水和医院污水中的季铵化合物浓度差异很大，介于微克/升到毫克/升之间[9]，这对生物处理工艺造成了不利影响。研究显示，二烯丙基二甲基氯化铵是污水处理厂中最常见的季铵化合物[10]。全氟/多氟烷基物质和季铵化合物都具有表面活性和生态毒性，它们在污水中，尤其是洗衣废水里，不可避免地会共存并发生相互作用[11]。值得注意的是，全氟/多氟烷基物质与季铵化合物之间存在复杂的物理化学相互作用和生物学效应。但目前对于在复合污染压力下，这两种新兴污染物对污水生物处理系统造成的综合影响机制，研究还不够深入。目前，部分硝化-厌氧氨氧化是一种先进且高效的生物脱氮技术，它依赖于多种关键的功能性微生物群落[12]。遗憾的是，这些关键细菌，尤其是厌氧氨氧化菌，对环境条件（如表面活性剂）极为敏感。因此，迫切需要研究复合型全氟/多氟烷基物质与季铵化合物共同作用对部分硝化-厌氧氨氧化系统的影响。

抗生素抗性基因作为新兴的生物污染物，正对全球公共卫生构成越来越严重的威胁。除了抗生素之外，各种非抗生素物质，包括消毒剂、重金属以及非抗生素类药物，都可能影响细菌行为，促进抗生素抗性的产生[13]。尤其是在污水处理厂这类微生物密度极高的环境中，作为关键载体的移动遗传元素能够大幅加速抗生素抗性基因从耐药菌向非耐药菌的水平转移[14]。值得注意的是，进入污水处理厂的微塑料数量每天在1.05×10⁵到1.47×10¹³个颗粒之间，这些微塑料会在活性污泥中不断积累[15]。重要的是，全氟/多氟烷基物质、季铵化合物和微塑料可能在污水中共存，尤其是在洗衣废水里[11]。由于微塑料可以通过疏水作用和静电作用吸附共存的污染物，它们就会成为这些新兴污染物的载体，导致其在局部形成高浓度聚集区[16]、[17]，进而改变污染物的生物可利用性和对微生物的毒性。这类污染被认为是不可逆的，因为即使塑料来源被清除，其环境影响仍会长期存在。此外，Zettler等人发现，微塑料为多种微生物提供了独特的生存空间，因此将这些微生物群落称为“质体”[18]。然而，留在污水处理厂中的质体却是细菌基因交换的热点区域，也是抗生素抗性基因传播的媒介[19]。值得一提的是，生物膜技术在主流厌氧氨氧化工艺及其他复合厌氧氨氧化工艺的发展中发挥了重要作用[20]。因此，有必要进一步研究在复合型全氟/多氟烷基物质与季铵化合物的共同作用下，生物膜和质体中抗生素抗性基因及移动遗传元素的传播情况。

基于上述研究背景，本文系统研究了复合型全氟/多氟烷基物质与二烯丙基二甲基氯化铵对部分硝化-厌氧氨氧化系统的氮去除性能、微生物防御机制、微生物代谢反应以及抗性基因传播风险的综合影响。本研究通过构建三个移动床生物膜反应器，分析了在不同浓度的新兴污染物长期（90天）作用下，该系统的氮转化效率、胞外聚合物的物理化学性质变化、跨膜离子转运动力学、关键功能基因的丰度以及微生物群落的演变规律。借助分子对接技术，阐明了污染物与部分硝化-厌氧氨氧化相关蛋白（氮去除功能酶和转运蛋白）之间的相互作用机制，同时通过批量实验量化了表面活性剂对跨胞外聚合物氮转运的影响。此外，还进一步揭示了生物膜和质体中抗性基因的分布特征及其增殖风险。研究还阐明了胞外聚合物、三羧酸循环能量代谢以及微生物群落相互作用在控制抗性基因传播中的作用机制，为评估在新兴污染物共同作用下的污水生物处理系统的性能稳定性与生态风险提供了理论依据。

章节摘录

反应器设置与运行

本研究建立了三种基于实验室规模序批式反应器（有效容积为8.0升）的移动床生物膜部分硝化-厌氧氨氧化系统，分别命名为PFSBR、DASBR和PDSBR。微生物载体为聚氨酯海绵，填充比例为30%。种子污泥取自实验室中已稳定的部分硝化-厌氧氨氧化生物膜系统，在实验开始前，微生物载体与种子污泥充分混合，以确保其在各个反应器中均匀分布。研究过程中使用合成废水作为反应器的进水。

不同系统中的部分硝化-厌氧氨氧化性能

图1展示了在整个运行期间，PFSBR、DASBR和PDSBR系统中的氮转化情况。在阶段I（第1天至第30天，复合型全氟/多氟烷基物质浓度为0.4毫克/升）中，PFSBR系统的总氮去除效率保持在63.70±3.40%，显示出较强的抗复合型全氟/多氟烷基物质能力。在阶段II（复合型全氟/多氟烷基物质浓度为2毫克/升）中，从第31天到第46天，该系统的部分硝化-厌氧氨氧化性能保持稳定，总氮去除效率为61.46±3.36%。但从第47天到第60天，NH₄⁺-N的浓度出现了变化

结论

本研究结果表明，复合型全氟/多氟烷基物质与二烯丙基二甲基氯化铵的共同作用会对部分硝化-厌氧氨氧化系统产生不同影响，这种影响可能是通过拮抗作用或协同作用实现的。在复合型全氟/多氟烷基物质的作用下，中等/高浓度（2-4毫克/升）会通过增强胞外聚合物的电场以及直接结合Amt蛋白，干扰铵离子的转运，从而严重抑制厌氧氨氧化反应和总氮去除效率。这种压力还会因膜损伤而增加广谱抗性基因的数量，同时通过影响三羧酸循环抑制特定抗性基因的传播

环境意义

全氟/多氟烷基物质、季铵化合物以及微塑料作为日益增多地出现在污水处理厂中的新兴污染物，其带来的生态系统风险已经引起了广泛关注。本研究表明，虽然季铵化合物能够暂时降低全氟/多氟烷基物质在污水中的毒性，但它会大大加剧抗性基因的增殖与传播。这两种污染物的共同作用引发了最活跃的基因水平转移，而质体则是这一过程的重要载体

CRediT作者贡献说明

Yi Guo：撰写——审阅与编辑。Yuxuan Wang：撰写——审阅与编辑。Zhiqi Wang：撰写——审阅与编辑。Jingfeng Gao：撰写——审阅与编辑，验证，监督，资源提供，资金获取，概念构思。Hanyi Wang：撰写——初稿撰写，实验研究，正式分析，概念构思。Hongxin Xu：撰写——审阅与编辑。

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或个人关系。

致谢

我们感谢中国国家自然科学基金（项目编号52470022、52170016）以及北京市自然科学基金（项目编号24JL004）对本研究的资金支持。