摘要
抗生素广泛应用于人类与动物的疾病防治、畜禽饲料添加剂等方面，但其在动物体内的代谢率较低，大多以原药或初级代谢产物的形式随着排泄物排出。而污水处理厂对抗生素的去除能力有限，导致大量抗生素随污水排入自然环境，这些抗生素会通过农作物吸收和富集进入食物链，对动物和人类构成巨大威胁。甲烷氧化菌能以甲烷作为唯一的能源和碳源，在氧化甲烷的过程中会产生甲烷单加氧酶（MMO），MMO是一种高度非特异性酶，能够促进多种难降解有机物的转化，使甲烷氧化菌在环境污染控制中具有潜在应用价值。本研究选择三种典型抗生素磺胺间甲氧嘧啶（SMM）、氧氟沙星（OFL）和四环素（TC），构建甲烷氧化菌共代谢系统，实现典型抗生素的有效降解，通过红外光谱和三维荧光光谱分析进出水中污染物组分的变化，并采用宏基因组技术分析系统中微生物群落结构，识别系统中的功能微生物，分析系统中的主要代谢途径，探讨甲烷氧化菌共代谢降解抗生素的微生物作用机理。研究得出的主要结论如下： （1）采用间歇式生物膜反应器构建甲烷氧化菌共代谢系统，确定系统对抗生素处理效能最佳的Cu2+浓度为0.5μmoL·L-1。 （2）甲烷氧化菌共代谢系统对SMM、OFL和TC均具有90%以上的去除率，生物膜中检出的SMM、OFL和TC浓度分别为0.155mg·L-1、2.78mg·L-1和0.004mg·L-1。说明系统对各抗生素的去除主要靠生物降解作用，吸附作用有限。此外，系统对各氮污染物的去除率均在90%以上。 （3）红外光谱结果显示，甲烷在系统中可能被氧化为醇类物质，SMM的中间产物可能有酚类、砜类、烷烃类、芳香族类及羰基化合物等物质；OFL的中间产物可能有芳香酸酯类、芳香族类和酮类化合物等；TC的产物中可能含有脂肪族化合物、酚类物质和芳香族化合物。三维荧光结果显示，共代谢系统中大量有机物被降解，微生物代谢产生大量类富里酸，Ⅴ区类糖化蛋白质物被累积。 （4）微生物NR物种注释显示，各阶段系统中同时存在甲烷氧化菌、亚硝化菌、硝化菌及反硝化菌。Methylibium可能是系统中降解SMM的最主要的甲烷氧化菌。Methylibium、Methylotenera和Methylocystis可能是系统中降解OFL的最主要的甲烷氧化菌。Methylibium和Methylocystis可能是系统中降解TC的最主要的甲烷氧化菌。 （5）宏基因组KEGGPathway注释结果显示各系统中的主要代谢功能均为Metabolism，代谢功能Level3层级检出甲烷代谢（Methanemetabolism）和氮代谢（Nitrogenmetabolism）是各阶段系统中的主要代谢通路。 （6）宏基因组Module/Enzyme/KO注释结合微生物群落多样性发现，SMM共代谢系统中Methylibium、Methylobacter和Methylosarcina主要参与RuMP循环，Methylocystis主要负责Serine循环；OFL共代谢系统中实现RuMP循环的主要甲烷氧化菌是Methylibium、unclassified_f__Methylococcaceae和Methylocaldum等，Serine循环在OFL共代谢系统中主要由Methylocystis完成；TC共代谢系统中主要由Methylibium、unclassified_f__Methylococcaceae和Methylotetracoccus利用RuMP循环途径来实现甲醛同化的，甲烷的氧化过程在TC共代谢系统中更大程度上是由Methylocystis负责的Serine循环完成。所构建的系统中的甲烷氧化功能主要由甲烷氧化菌实现，脱氮功能实现的有硝化反硝化过程、甲烷氧化菌耦合反硝化过程和甲烷氧化菌独立脱氮过程。
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