近日，5123导航高树基教授团队在抗生素对河口沉积物脱氮影响方面取得新进展，相关成果以Permeability decides the effect of antibiotics on sedimentary nitrogen removal in Jiulong River Estuary 为题发表于环境学顶级期刊Water Research. 研究发现抗生素对九龙江口沉积物脱氮的影响主要由沉积物的渗透性决定，即使在抗性基因存在的情况下，抗生素仍能显著抑制沉积物反硝化和厌氧氨氧化等脱氮过程，同时提高温室气体氧化亚氮（N2O）的产率。通过培养实验进一步揭示了沉积物-水界面抗生素与脱氮微生物的互作关系，河口上游沉积物渗透性低于下游沉积物，抗生素扩散受阻，对沉积物脱氮微生物的毒性作用相对较小。
研究背景
在过去一个世纪，肥料等人为活性氮（Nr）的产量增加了十倍。陆源人为 Nr 约有75%通过河口流入海洋，引发了一系列海洋生态环境问题。反硝化和厌氧氨氧化是微生物驱动的两个氮移除过程，主要发生在沉积物有氧层以下位置，其中反硝化过程会释放副产物温室气体N2O（具有很强的温室效应），而厌氧氨氧化过程将氨氮转化为惰性的氮气，不产生N2O。与此同时，抗生素的广泛应用导致其在环境中大量残留，水中抗生素浓度在ng/L - μg/L量级，沉积物中含量在ng/g - μg/g量级。研究表明抗生素能够抑制土壤和沉积物等的潜在反硝化作用，但对于抗生素抗性基因（ARGs）能否抵抗抗生素影响却知之甚少。另外，抗生素对原位沉积物脱氮作用的影响尚未见报导。
研究结果
研究定量评估了亚热带地区九龙江口的两种蛋白质抑制类抗生素（土霉素和甲砜霉素）对潜在和原位沉积物脱氮速率的影响。结果显示，在抗生素与沉积物均匀混合的泥浆培养实验中，在ng/L的抗生素处理组中，两种抗生素均能显著抑制各站位的潜在反硝化和厌氧氨氧化速率，并提高N2O的产率（图1）。宏基因组分箱技术表明，在河口的上游站位，反硝化细菌携带这两种抗生素所属大类的ARGs，说明在抗生素接触脱氮微生物的情况下，即使存在ARGs也不能抵抗其对脱氮微生物的抑制作用。沉积物整柱培养结果显示，抗生素对上游脱氮速率没有显著影响，但对下游沉积物的脱氮作用有显著的抑制现象（图2），推测主要与沉积物的扩散性能有关。分析沉积物的粒径图谱（图3），上游沉积物粒径大部分小于200 μm，而下游的粒径谱分布较宽（0-2400 μm），上游沉积物渗透性（3.94）明显低于下游（7.06）。在渗透性高的沉积物，水中的抗生素容易向沉积物扩散并与脱氮微生物接触，而在渗透性低的沉积物，抗生素扩散受阻，从而减轻抗生素对自然环境中脱氮微生物的毒性作用（图4）。
图1. 九龙江口各站位潜在脱氮速率及其对抗生素的响应
图2. 九龙江口上下游原位脱氮速率及其对抗生素的响应
图3. 九龙江口上下游沉积物粒径分布图谱
图4. 抗生素在不同渗透性能沉积物中的扩散能力决定其对脱氮微生物的抑制作用
该论文第一作者为5123导航博士生万茹（氮循环研究组），通讯作者为高树基教授和海南大学谭萼辉博士；共同作者还包括5123导航博士生葛亮皓、陈斌、汤锦铭、深圳大学李猛教授、广西师范大学刘宗保副教授、华东师范大学侯立军教授和尹国宇副教授。
论文来源及链接
Ru Wan, Lianghao Ge, Bin Chen, Jin-Ming Tang, Ehui Tan, Wenbin Zou, Li Tian, Meng Li, Zongbao Liu, Lijun Hou, Guoyu Yin, Shuh-Ji Kao, 2023. Permeability decides the effect of antibiotics on sedimentary nitrogen removal in Jiulong River Estuary. Water Research. 243.
供稿 | 万茹、谭萼辉、高树基
编辑 | 朱佳、苏颖
审核 | 陈能汪、曹知勉
