近日，我校环境学院鲍建国课题组在环境领域顶级期刊《Water Research》上发表了题为“Comprehensive metagenomic and enzyme activity analysis reveals the inhibitory effects and potential toxic mechanism of tetracycline on denitrification in groundwater”的研究论文。中国地质大学（武汉）为该论文唯一单位，鲍建国教授为通讯作者，博士研究生张怡为第一作者。
地下水经常被使用于工业和农业灌溉，也是饮用水的重要来源之一。反硝化作用是浅层地下水脱氮的主要机制，在地下水硝酸盐污染日益严重的趋势下，反硝化作用对地下水健康的重要性不言而喻，一旦受到干扰会直接导致地下水质量下降，存在极大的安全隐患。因此，反硝化作用的正常进行对地下水氮循环过程和生态系统稳定有着重要意义。地下水反硝化作用主要由微生物驱动，任何干扰微生物的因素都可能影响反硝化作用的正常进行。由于四环素（TC）具有强烈的抑菌效果，可通过影响微生物间接干扰反硝化作用，对地下水环境健康造成威胁。该研究采用宏基因组学技术和酶活分析相结合的手段，从蛋白质和基因水平同时揭示四环素对地下水反硝化作用的影响及其机制。研究发现四环素可以显著抑制地下水反硝化作用，导致硝酸盐和亚硝酸盐在地下水中积累。
图1 四环素对地下水反硝化作用影响概念图
通过对地下水微生物群落分析发现，四环素显著抑制微生物生长及其活性。反硝化菌Pseudomonas在四环素胁迫下相对丰度显著降低。进一步分析群落功能发现，四环素对辅因子与氨基酸代谢（metabolism of cofactors and vitamins）、核苷酸代谢（nucleotide metabolism）、能量代谢（energy metabolism）、信号传导（signal transduction）等通路有抑制效果，进而导致反硝化效率的降低。同时，研究发现四环素抑制微生物的碳源代谢、电子传递系统活性和反硝化酶活性，导致反硝化相关代谢中的电子产生、传递和消耗过程效率均受抑制，反硝化效率降低。
宏基因组学数据显示四环素对反硝化相关代谢过程关键基因的复制有抑制效果，包括三羧酸循环中生成ATP和电子供体的功能基因、电子传递系统相关基因、反硝化功能基因。
图2 四环素对反硝化相关代谢过程基因的影响
该研究认为四环素对反硝化作用的抑制导致硝酸盐和亚硝酸盐在地下水中积累，严重影响地下水环境健康。该研究系统且深刻地揭示了四环素对地下水反硝化作用的影响及机理，有助于全面了解抗生素的环境危害，对评估地下水抗生素污染风险具有重要理论价值和现实意义。
上述研究得到了国家自然科学基金（No. 42077312）的资助。
论文信息：
标题：Comprehensive metagenomic and enzyme activity analysis reveals the inhibitory effects and potential toxic mechanism of tetracycline on denitrification in groundwater.
作者：Yi Zhang, Jianguo Bao*, Jiangkun Du, Qidi Mao, Benai Cheng
原文链接：https://doi.org/10.1016/j.watres.2023.120803
