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抗癌药物对连续流好氧颗粒污泥系统脱氮效率及微生物群落的影响研究

1. 研究作者与发表信息

本研究由Antonio Castellano-Hinojosa（西班牙格拉纳达大学水研究所环境微生物组）、Manuel J. Gallardo-Altamirano（通讯作者，同单位）、Nicoly Dal Santo Svierzoski（巴西里约热内卢联邦大学）、Clementina Pozo、Jesús González-López和Alejandro González-Martínez合作完成，发表于Chemosphere期刊（2025年，卷376，文章编号144279）。研究通过CC BY-NC-ND 4.0协议开放获取。

2. 学术背景

科学领域：环境工程与微生物生态学，聚焦废水处理中新兴污染物（如抗癌药物，Anticancer Drugs, ACDs）的生态风险。
研究动机：
- 现实问题：抗癌药物（如环磷酰胺CP、他莫昔芬TMX、甲氨蝶呤MTX）通过人体排泄进入废水，传统活性污泥法对其去除效率低（20–90%），且残留药物对水生生态具有高毒性。
- 技术瓶颈：连续流好氧颗粒污泥（Aerobic Granular Sludge, AGS）系统虽能高效去除有机物和氮，但ACDs对其微生物群落（尤其是硝化/反硝化菌）的影响尚不明确。
研究目标：
1. 评估三种ACDs（CP、TMX、MTX）对AGS系统脱氮效率的剂量依赖性影响；
2. 解析ACDs对活性微生物群落（基于RNA分析）的丰度、多样性及功能的扰动；
3. 提出ACDs在废水处理中的管理策略。

3. 研究流程与方法

实验设计：
- 生物反应器：4组连续流AGS反应器（工作体积6 L），分别设置为对照组（CT）及低（LW）、中（ME）、高（HG）ACDs浓度（表1）。运行3个月后，停止投药1个月以观察恢复潜力。
- 药物浓度：HG组CP达6000 ng/L，模拟实际废水中最高污染水平。

关键步骤：
1. 理化参数监测：
- 检测指标：混合液悬浮固体（MLSS）、颗粒尺寸、沉降速度、出水悬浮物（SS）、化学需氧量（COD）、氮形态（NH₄⁺、NO₂⁻、NO₃⁻）。
- 分析方法：标准APHA方法（如MLSS测定）及高效液相色谱-质谱（HPLC-MS）定量ACDs。

1. 微生物群落分析：

   • RNA提取与cDNA合成：使用FastRNA™ Pro Soil-Direct Kit提取RNA，逆转录后通过实时定量PCR（qPCR）定量功能基因：
     
     • 硝化菌：氨氧化细菌（AOB）和古菌（AOA）的amoA基因；
       
     • 反硝化菌：napA、narG（硝酸盐还原酶）、nirK、nirS（亚硝酸盐还原酶）、nosZI/II（氧化亚氮还原酶）。
       
   • 高通量测序：采用341F/805R引物对原核生物群落进行16S rRNA基因测序，通过QIIME2和DESeq2分析多样性及差异菌属。
     

2. 数据统计：

   • 使用R软件进行PERMANOVA、ANOVA和Tukey’s HSD检验，评估处理间差异显著性。
     

4. 主要结果

4.1 理化性能的剂量依赖性恶化
- MLSS与颗粒稳定性：HG组MLSS降至3100 mg/L（CT为4200 mg/L），颗粒尺寸缩小至13 mm（CT为18 mm），沉降速度降低30%，表明高浓度ACDs破坏颗粒结构。
- 处理效率：HG组COD和总氮（TN）去除率分别降至70%和40%（CT为95–100%和55–60%），且停药30天后未恢复，提示ACDs的长期残留效应。

4.2 ACDs去除效率的差异性
- 药物特异性：TMX在所有浓度下均100%去除；CP在HG组去除率仅51.5–55.8%，而MTX为52.2–55.5%，表明药物化学性质（如log Kow）影响降解效率。

4.3 微生物群落的显著扰动
- 功能基因丰度：HG组AOB的amoA基因减少90%，反硝化基因（nirK、nosZ）降低80–95%，直接导致NH₄⁺和NO₃⁻积累（附图S2）。
- 群落多样性：HG组Shannon指数下降40%，且停药后未恢复。DESeq2分析显示，关键菌属（如硝化菌Nitrosomonas、反硝化菌Paracoccus）丰度显著降低（图6）。

4.4 机制解析
- 毒性效应：ACDs通过抑制DNA复制和细胞分裂，优先杀伤高代谢活性的硝化/反硝化菌，破坏氮循环功能模块。
- 工程启示：AGS系统对低浓度ACDs（如TMX）具有适应性，但需优化HRT（水力停留时间）以提升CP/MTX的去除。

5. 结论与价值

科学意义：
- 首次揭示ACDs通过剂量依赖性抑制硝化/反硝化菌活性，导致AGS系统脱氮效率下降；
- 提出RNA水平的微生物活性分析比传统DNA方法更能反映真实生态风险。

应用价值：
- 为废水处理厂ACDs的监测与管理提供理论依据，建议优先控制高毒性药物（如CP）的排放浓度；
- 证明连续流AGS系统对部分ACDs（如TMX）的高效去除潜力，支持其作为传统活性污泥法的替代技术。

6. 研究亮点

1. 方法创新：首次结合RNA测序与qPCR，解析ACDs对活性微生物群落的实时影响；
   
2. 全面性：涵盖理化参数、药物归趋、功能基因及群落结构的多维度分析；
   
3. 实际意义：明确ACDs的生态风险阈值（如HG组CP 6000 ng/L为临界点），为政策制定提供数据支撑。
   

7. 其他发现

• 耐药性风险：ACDs可能诱导微生物抗性基因（未直接检测但需后续研究）；
  
• 技术专利：研究中使用的连续流AGS系统已申请专利（P202230987），凸显其工程应用价值。
  

（报告完）