论文标题：Enhanced resistance to ciprofloxacin stress in integrated floating film activated sludge system filled with surface-modified carriers for simultaneous nitrification and denitrification

期刊：Frontiers of Environmental Science & Engineering

作者：Jing Liu, Zepeng Wang, Tao Liu, Xie Quan

发表时间：18 Jan 2025

DOI： 10.1007/s11783-025-1972-0

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近日，大连理工大学刘涛教授团队在Frontiers of Environmental Science & Engineering期刊第19卷第4期发表了题为“Enhanced resistance to ciprofloxacin stress in integrated floating film activated sludge system filled with surface-modified carriers for simultaneous nitrification and denitrification”的研究论文。

随着抗生素在废水中广泛存在，其对生物处理系统的抑制效应日益显著，探究高效抗逆的废水处理技术成为重要课题。本文通过对比表面改性载体与传统高密度聚乙烯（HDPE）载体在悬浮生物载体生物膜-活性污泥系统（IFFAS）中的性能，揭示了改性载体对环丙沙星（CIP）抗性的提升机制。研究表明，改性载体通过促进胞外聚合物（EPS）生成、维持关键酶活性及上调抗性基因表达，显著增强了同步硝化反硝化（SND）对CIP胁迫的耐受性。该研究为抗生素污染废水的生物处理技术优化提供了理论依据。

CIP是一种广谱氟喹诺酮类抗生素，它通过抑制DNA旋转酶来干扰微生物代谢，其在废水中的残留对生物脱氮过程构成威胁。传统活性污泥系统易受CIP抑制，而生物膜系统因微生物聚集和胞外聚合物（EPS）保护作用，可能具备更强的抗逆性。已有研究表明，表面改性载体可优化SND的性能，但其在CIP胁迫下的响应机制尚不明确。

本研究通过短期（0–50 mg/L CIP）和长期（0.5–3000 μg/L CIP）暴露实验，对比了HDPE载体（R1）、沸石改性载体（R2）及常规活性污泥系统（R0）的脱氮性能与微生物响应。短期实验表明，改性载体系统的半抑制浓度（IC50）为36.54 mg/L，显著高于HDPE系统的28.77 mg/L。在长期实验中，改性载体系统（R2）的总氮去除率（TNRE）在3000 μg/L CIP暴露下为73.27%，高于R0（48.74%）和R1（65.42%）。

机理分析表明，改性载体通过多重途径缓解CIP毒性。首先，其表面生物膜EPS含量显著增加，通过疏水与静电作用吸附CIP，减少其对微生物的直接接触。EPS的蛋白质/多糖（PN/PS）比值在改性载体系统中保持稳定，而HDPE载体系统污泥的PN/PS比值随CIP浓度上升显著增加，表明改性载体缓解了EPS组成的变化。其次，关键脱氮酶活性（如氨单加氧酶AMO、亚硝酸盐氧化还原酶NXR）在改性载体上的抑制程度较低，例如在50 μg/L CIP下，R2的AMO活性仅下降4.5%，而R1下降63.2%。

此外，高通量测序显示，改性载体生物膜中硝化菌与反硝化菌丰度更高，且氮代谢基因的丰度下降幅度较小。抗性基因（ARGs）分析进一步表明，改性载体促进qepA（外排泵基因）和qnrB/C（靶点保护基因）的表达，同时整合酶基因intI1的丰度上升，暗示水平基因转移可能增强抗性。

本研究系统揭示了改性载体在CIP胁迫下通过EPS屏障、酶活性维持及抗性基因调控提升SND性能的机制，为抗生素污染废水的生物处理技术优化提供了理论支持。未来需进一步评估抗性基因的环境风险，并探索改性载体在实际废水处理中的长期稳定性与适用性。

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本文内容来自FESE期刊2025年第19卷第4期发表的研究文章“Enhanced resistance to ciprofloxacin stress in integrated floating film activated sludge system filled with surface-modified carriers for simultaneous nitrification and denitrification”。通讯作者为大连理工大学的刘涛教授。

引用格式：Jing Liu, Zepeng Wang, Tao Liu, Xie Quan. Enhanced resistance to ciprofloxacin stress in integrated floating film activated sludge system filled with surface-modified carriers for simultaneous nitrification and denitrification. Front. Environ. Sci. Eng., 2025, 19(4): 52 https://doi.org/10.1007/s11783-025-1972-0

期刊简介

Frontiers of Environmental Science & Engineering是由高等教育出版社、中国工程院和清华大学共同主办的环境领域综合学术期刊，聚焦环境领域前沿问题与研究成果，重点关注开创性、跨学科的研究，致力于打造具有国际影响力的高水平学术交流平台，是中国工程院院刊系列期刊、中国科技期刊卓越行动计划入选期刊。

主编：曲久辉院士，John Crittenden院士

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