【专家视角】哈尔滨工业大学Nature Water｜新污染物干扰，微生物多排温室气体

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（来源：生态修复网）

污水处理厂能去除大部分污染物，但出水中残留的新污染物仍进入河流。它们会不会改变微生物的生存策略，让河流排出更多温室气体？这个问题一直不清楚。

污水处理厂是工程处理与自然水体之间的接口，承担保护公共健康和生态健康的任务。传统处理主要针对化学需氧量和营养盐。在常规工艺和目标污染物范围内，它不能有效去除新污染物。新污染物包括药物和个人护理产品、农药、内分泌干扰物、全氟和多氟烷基物质、邻苯二甲酸酯、有机磷酸酯、双酚和紫外线过滤剂等。它们通常浓度低，但持久、可迁移、可生物累积，并具有生物毒性。多种新污染物往往同时存在于水中，微生物同时接触它们，这种情形叫混合暴露，可能放大生态风险。受纳河流同时是温室气体排放热点。关键问题是，新污染物只是和碳氮底物一起出现、顺便被检测到，还是它们本身会主动改变微生物代谢，推动二氧化碳、甲烷和一氧化二氮生成？

前人已经知道，受污水处理厂影响的河流是温室气体排放热点，通常超过农业或自然土地利用。这主要归因于污水处理厂处理后的水排入河流后，其中活性碳和氮持续输入河流。随出水进入河流的外部微生物，以及被出水改变的pH和溶解氧等环境条件，会一起重塑河流原本就存在的本地微生物群落，驱动碳氮循环功能转变。这些变化增强微生物呼吸，释放更多二氧化碳，抑制碳固定，增加甲烷生成；出水中含氮物质如氨氮还会带来过量氨，抑制甲烷氧化，同时参与氮循环的酶促反应路径被重塑，加剧一氧化二氮产生。近期研究也显示，微塑料、农药、药物和个人护理产品、内分泌干扰物，以及抗生素和重金属等能促进抗生素抗性传播的污染物，能干扰微生物群落和功能基因表达，从而影响呼吸、发酵、甲烷循环和不完全反硝化。然而，真实受纳水体中的微生物接触到的不是单一污染物，而是复杂的新污染物混合物。这些混合物与碳、氮和水文条件共同变化。这里就引出一个关键区别：新污染物究竟只是和碳氮底物一起出现、顺便被检测到，还是它们本身会主动改变微生物的碳氮转化过程，从而推动温室气体生成？经典毒理学认为，新污染物损害酶功能，破坏细胞完整性，减少活性生物量。存活的微生物将能量重新分配给防御机制，包括调节外排泵把有毒物质排出细胞、修复DNA和启动抗氧化保护。这些应激反应带来代谢成本，理论上减少可用于甲烷生成和反硝化的能量，从而减少温室气体产生。然而，受污水处理厂影响的河流经常显示新污染物富集和温室气体热点空间共存，表明微生物群落可能采取更复杂、情境依赖的生存策略，而非经典毒性范式预测的策略。这个明显矛盾限制了我们解释化学污染如何与微生物生存策略和气候相关生物地球化学过程相互作用的能力，值得重新评估新污染物干扰下的微生物适应。

为了回答这个问题，研究团队沿着从污水处理厂进水到出水、再顺受纳河流上游到下游的一条采样线（即连续体）采样。这条线覆盖四个处理单元和六个河流点位。他们测定了159种新污染物、细胞毒性、溶解温室气体，并联合使用风险排序、多组学、受控半连续微宇宙、沉积物宏转录组和酶代谢物分析。为了判断功能基因是“有潜力”还是“正在工作”，他们同时使用宏基因组和宏转录组。宏基因组像清点工具箱，告诉研究者微生物携带哪些功能基因；宏转录组像查看工作记录，告诉研究者哪些基因正在被实际读取使用，而不只是停留在DNA里备用。为了把新污染物本身的影响和水中可供微生物利用的含碳有机物（即碳底物，相当于它们的食物和能量来源）供应量的影响区分开，他们用实验室小容器模拟河流沉积物环境，每隔几天换掉一部分水，模拟河流持续有水流进出的状态，建立半连续微宇宙。在半连续微宇宙中，他们设置了三组水样进行比较：上游河水、污水处理厂处理后排出的水（即原出水），以及去除新污染物后补回等量总有机碳的出水。这样，三组之间的差异就能分别反映新污染物和碳底物的作用。为了判断下游基因丰度的变化能否仅由上游水和污水处理厂出水按比例混合来解释，他们用来源追踪分析估计上游水和出水的混合贡献，再用结构方程模型估计污染物、毒性和碳氮代谢到温室气体的直接与间接路径。风险框架结合风险商、ToxPi、危害指数、方差分解和随机森林，分别衡量生态风险、综合危害和变量贡献。随机森林则用来找出哪些污染物组与温室气体变化关系最明显，并在统计上显著。这些方法共同服务于一个目标：不仅看哪些污染物和温室气体一起变化，还要追问微生物代谢上发生了什么，使这种变化发生。

现场结果显示，处理去除了82.21%的新污染物总量，这里的新污染物总量指159种目标新污染物浓度之和。但出水仍使下游新污染物总量比上游增加53.21%，细胞毒性增加44.15%，二氧化碳当量增加11.31%。这说明常规处理虽能削减总量，但残余混合物仍保持生物活性，并推动气候相关排放。优先污染物中，药物和个人护理产品以及农药突出。下游防御相关功能下降，包括外排泵、生物膜形成和P450解毒，降幅为52.34%到57.98%。这里下降的是三类防御功能各自的基因丰度。外排泵是把有毒物质排出细胞的蛋白，相当于细胞门口的排污泵；生物膜是微生物聚集并分泌基质形成的保护结构，相当于一层防护罩；P450解毒是细胞色素P450酶系参与外来物转化，相当于细胞内的解毒车间。这三类功能都下降了。与此同时，温室气体相关的碳氮基因丰度是上游的1.94到33.67倍。来源追踪显示，温室气体相关基因超过仅由混合预测的水平93.55%±20.08%，防御功能低于预测26.17%±9.92%。如果下游的变化仅仅是上游水和出水按比例混合的结果，那么基因丰度应该等于按混合比例算出的预测值。但实际测到的温室气体相关基因比预测值高出93.55%，防御功能比预测值低26.17%。防御功能低于预测，说明防御功能下降不只是混合稀释造成的，微生物在持续新污染物干扰下主动减少了防御投入。这说明还有额外的微生物调节在起作用，不能只用源混合解释。

半连续微宇宙进一步验证了这种调节。直接加入污水处理厂出水的实验组（原出水组）维持最高新污染物总量和细胞毒性，并持续显示最高的二氧化碳/总有机碳、甲烷/总有机碳和一氧化二氮/总有机碳。最高是指在所有实验组中数值最大。二氧化碳/总有机碳是把产生的二氧化碳量除以消耗的总有机碳量，代表每消耗单位有机碳释放多少二氧化碳。这个比值最高，说明同样消耗一份有机碳，原出水组释放的二氧化碳更多，单位有机碳消耗产生更多温室气体。宏转录组显示，微生物减少了在昂贵防御上的投入，比如把有毒物质主动泵出细胞、通过信号分子协调群体行为、用P450酶系转化外来物，但保留了生物膜这种相对低成本的结构保护。宏转录组还显示，微生物把糖分解和二氧化碳、甲烷、一氧化二氮生成相关的步骤上调了。这说明它们把代谢重心转向了能量获取和温室气体生成，不再把资源大量投入防御。

酶和代谢物进一步说明了这个过程。原出水组的丙二醛含量更高，说明细胞膜脂质受到的氧化破坏更严重。丙二醛是脂质过氧化的产物，脂质过氧化就是细胞膜上的脂质被氧化破坏。面对这种损伤，原出水组早期过氧化氢酶和超氧化物歧化酶活性短暂升高，随后下降，说明抗氧化防御无法持续维持。第3天，三磷酸腺苷和乙酰辅酶A明显下降，三磷酸腺苷是细胞能量货币，这说明早期防御和修复消耗了大量能量，造成能量瓶颈。随后，第14天乙酰辅酶A回升，多数阶段柠檬酸合酶活性更高，第7到14天三磷酸腺苷也更高。乙酰辅酶A是碳进入能量代谢循环的入口，柠檬酸合酶是催化这个循环第一步的酶，两者升高说明碳流正在被送进能量代谢途径。三磷酸腺苷回升则说明微生物已经能够维持能量供应。这三点合起来说明微生物转向碳流执行和能量维持。一氧化二氮相关酶也呈现同样趋势：原出水组的亚硝酸盐还原酶和一氧化二氮还原酶活性大多高于去除新污染物的出水组。其中，亚硝酸盐还原酶与一氧化二氮还原酶的差异最大，说明氮还原超过终端一氧化二氮还原，有利于一氧化二氮净积累。

整体来看，新污染物干扰先诱导氧化损伤、短暂抗氧化激活和能量耗竭。细胞要存活，就必须持续维持三磷酸腺苷供应，因为三磷酸腺苷是驱动一切生命活动的能量货币。当防御成本太高、无法继续承担时，微生物只能把资源转向产能代谢，通过呼吸、发酵和反硝化等反应不断生成三磷酸腺苷来维持生存。而这些产能反应的副产物，正是二氧化碳、甲烷和一氧化二氮。这就是防御-能量权衡。

这项研究把新污染物污染、生态毒性和气候相关生物地球化学过程在微生物尺度上连起来。未来污水处理厂升级不应只追求化学去除率，还应结合效应终点，包括残余生物活性、生态风险和温室气体相关微生物响应。减少残余新污染物排放很重要。需要说明边界：研究基于一个市政污水处理厂-受纳河流连续体，半连续微宇宙虽然能模拟河流持续换水的状态，但不能完全复现天然出水中溶解有机物的复杂分子组成，因为天然溶解有机物包含成千上万种不同分子，实验室只能用几种替代碳源近似。在14天的微宇宙实验里，从DNA层面看，不同处理组的防御和温室气体相关基因丰度没有出现一致差异。如果这些基因丰度出现一致差异，就说明新污染物已在DNA层面筛选出不同微生物群落，功能差异由群落组成决定；没有出现，说明变化更可能发生在基因活性调节层面。因此这项研究更依赖转录和代谢层面的证据来推断微生物功能变化。机制在长期下游新污染物干扰下成立。这些边界提示，需要在更多河流和更长尺度上验证。