应对抗生素污染的生物修复技术—中国海洋大学熊久强团队新进展

研究背景

水产养殖为全球35%的人口提供蛋白质，占蛋白质总供给的20%以上。随着人口增长和经济发展，动物源性食品需求激增，推动大规模水产养殖业发展。该行业消耗大量水资源和抗生素，例如有报道称2018年中国池塘养殖用水量达6.6×10¹⁰ m³；相关数据显示全球每吨动物生物量的抗生素使用量达0.04~0.91千克。其中50%~70%的药物通过排泄物进入水体，导致抗生素污染和耐药基因扩散。

水产养殖废水富含氮、磷和COD，适宜微藻生长。蓝藻作为关键初级生产者，在全球生物地球化学循环中发挥重要作用。研究表明微藻技术可去除90%以上抗生素，实际处理效果优于传统污泥法。微藻生物质还可用于高附加值产品或饲料生产，是最具潜力的废水处理技术。然而，微藻代谢抗生素的机制尚不明确，制约了工程化应用。

现有研究认为微藻降解抗生素依赖细胞色素P450（CYP450）和谷胱甘肽-S-转移酶的催化作用，但未证实其与去除效率的直接关联。尽管小球藻等藻类基因组含CYP450基因，但对磺胺嘧啶等持久性抗生素的去除率仅10%~40%，暗示可能存在未知的降解酶系统。

研究进展

研究首先评估了集胞藻（Synechocystis sp.）对氯霉素（CAP）的耐受性和降解能力。CAP对藻体生长的抑制作用随培养时间逐渐减弱，14天后仅高浓度（≥2 mg/L）仍显著抑制生长，EC₅₀为1.09~2.0 mg/L。在0.1~5 mg/L浓度范围内，集胞藻对CAP的去除率达41.85%-94.27%，降解过程符合一级动力学模型（R²=0.90-0.97）。质量守恒分析显示生物降解是主要去除途径（贡献率38.38%~86.96%）（图1），证实集胞藻具有显著的CAP耐受与降解能力。

其次通过分子机制解析，发现集胞藻中CYP450对CAP降解不起决定性作用，硝基还原酶（NTR）是CAP降解的重要功能酶，其表达量与去除效率呈显著正相关（R²=0.97），工程菌在6小时内可去除39.8%~94.4%的CAP（图2）。这一发现为抗生素污染治理提供了新型高效生物催化剂。

接着基于OM-RGC_v2_metaG和OM-RGC_v2_metaT数据库，分析了NTR同源基因在全球海洋0.22-3.0 µm粒径组分中的分布与转录。NTR同源基因广泛存在于三个海洋水层中，主要为拟杆菌门、古菌、绿弯菌门和γ-变形菌等；其转录活性在海洋表层活跃，且在拟杆菌门和γ-变形菌纲中呈现高表达特征（图3）。

随后对NTR蛋白的功能进行了表征。NTR是一种NADPH依赖性还原酶，其最适pH为7.0~8.0，最适温度为45℃，米氏常数K_m值为104.0 µM，V_max达3.82 µM/min（R²=0.95）。在实际废水处理中，NTR可在30 min内降解52.68%的CAP。分子互作分析显示，NTR与CAP具有极高亲和力（K_d=2.9 nM），分子对接表明CAP可通过氢键与NTR的TYR8、ARG10和GLN133结合（结合能-3.94 kcal/mol）（图4）。这些特性表明NTR在硝基芳香污染物处理中具有重要应用潜力，其高效催化性能为废水处理提供了新型生物工具。

最后揭示了集胞藻NTR介导的CAP转化机制。集胞藻NTR通过将CAP的硝基还原为氨基，生成低毒性的产物氨基-CAP（图5）。这一硝基还原过程显著降低了CAP的生物毒性，证实NTR是一种环境友好型生物催化剂，携带该酶的工程菌在CAP污染废水修复中具有良好的应用前景。

未来展望

本研究为控制抗生素污染提供了高效生物治理技术：表达集胞藻NTR的工程菌可快速降解CAP，阻断耐药基因传播。将该靶向生物催化剂整合至循环水产养殖系统（处理后的微藻生物质可作为饲料或生物肥料），既能减少环境足迹又能提升资源效率。研究成果为日益严峻的耐药性挑战提供了"行星健康"解决方案，推动了精准生物修复工具的发展。然而，工程菌应用仍面临基因水平转移等生态风险、长期稳定性等技术瓶颈，以及实时监测等管理挑战，未来需在技术创新与生态安全间寻求平衡。

来源：https://spj.science.org/doi/10.34133/research.0692