醫院廢水、養殖污水、制藥廠排水……這些廢水中常含有殘留的抗生素。以常用抗生素環丙沙星（CIP）為例，它能抑制細菌DNA復制，對污水處理中的關鍵微生物（如硝化菌、反硝化菌）是“致命威脅”。傳統污水處理系統遇到高濃度CIP時，脫氮效率可能暴跌——但近日，大連理工大學團隊發現一種“改性載體”，能讓污水處理系統的抗藥性提升27%，在高濃度CIP下仍保持穩定脫氮。相關成果發表于《Frontiers of Environmental Science & Engineering》。

污水處理的“抗生素之困”：微生物被“精準打擊”

同步硝化反硝化（SND）是一種高效脫氮工藝，能在同一反應器內同時完成氨氮氧化（硝化）和硝酸鹽還原（反硝化），節省能耗和空間。但麻煩的是，廢水中的CIP會“精準打擊”參與脫氮的微生物：它抑制細菌DNA復制，導致硝化菌（負責把氨氮變硝酸鹽）和反硝化菌（負責把硝酸鹽變氮氣）活性下降，甚至死亡。實驗顯示，當CIP濃度超過28.77 mg/L時，傳統載體填充的SND系統脫氮效率會被抑制50%（半抑制濃度IC50）。

改性載體：給微生物“穿防護衣”+“配解毒工具”

團隊研發的“改性載體”，在傳統高密度聚乙烯（HDPE）載體中加入了沸石等材料。這種設計有兩大“抗藥秘籍”：
一是“防護衣”策略：載體表面更易形成厚實的生物膜，微生物分泌的胞外聚合物（EPS，類似“黏液層”）更多。EPS能像“海綿”一樣吸附CIP，減少其直接接觸微生物；實驗顯示，改性載體表面的EPS量比傳統載體高30%以上，吸附的CIP更多，微生物受毒性影響更小。
二是“解毒工具”升級：改性載體促進了抗藥基因（如qepA、qnrB/C）的表達。qepA基因編碼的“外排泵”能把進入細菌的CIP“泵”出去；qnrB/C基因編碼的蛋白能與CIP的作用靶點（DNA旋轉酶）結合，阻止CIP破壞DNA。實驗中，改性載體系統的抗藥基因拷貝數比傳統載體高1-2倍，相當于給微生物“配了更強的解毒工具”。

實驗驗證：高濃度CIP下仍“扛得住”

短期實驗中，改性載體系統的IC50達到36.54 mg/L（傳統載體28.77 mg/L），抗藥性提升27%。長期運行（120天，CIP濃度從0.5 μg/L逐步升至3000 μg/L）中，當CIP濃度高達3000 μg/L時：

  • 傳統活性污泥系統的總氮去除率從73.13%暴跌至48.74%；
  • 傳統載體系統降至65.42%；
  • 改性載體系統仍保持73.27%，幾乎與初始狀態持平。

關鍵酶活性（如負責硝化的氨單加氧酶AMO、反硝化的硝酸鹽還原酶NAR）在改性載體系統中受抑制程度更小，微生物群落結構更穩定——這意味著，即使面對高濃度CIP，改性載體系統的脫氮功能依然“在線”。

未來：平衡抗藥性與環境風險

團隊指出，改性載體雖提升了系統抗藥性，但抗藥基因（ARGs）的增加可能帶來環境風險——這些基因可能通過水平轉移擴散到其他細菌，加劇“超級細菌”問題。未來需進一步優化載體設計，在提升抗藥性的同時，減少ARGs的傳播風險。

來源: FESE Message