在人类医学和农业中广泛使用的抗生素，最终大量进入水环境，构成了显著的环境和健康风险。其中，磺胺甲噁唑（SMX）作为一种常用的磺胺类抗生素，因其在传统污水处理过程中的不完全去除，频繁在地表水、废水甚至饮用水源中被检出。SMX在水环境中的持久存在可能导致微生物群落产生抗生素耐药性，这已被视为日益严峻的全球性威胁。因此，开发有效且可持续的策略来去除水生生态系统中的抗生素至关重要。
植物修复，即利用植物去除、降解或稳定污染物的方法，已成为处理抗生素污染水体的一个有前景的途径。在水生植物中，水芙蓉（Spirodela polyrhiza）因其生长速度快、生物产量高以及在包括富营养和贫营养水体在内的广泛环境条件下茁壮生长的能力而备受关注。水芙蓉已被广泛研究其植物修复潜力，特别是其通过生物吸附、吸收和酶促途径吸收和降解有机污染物（如抗生素）的能力。这些特质使水芙蓉成为研究基于水生植物的修复系统的模式生物，在处理水系抗生素污染方面兼具生态和实用优势。然而，仅使用植物进行修复通常因酶多样性有限而导致去除不完全和磺胺类中间产物持续存在。这一缺点凸显了补充微生物伙伴以增强抗生素降解的必要性。
为了增强水芙蓉的植物修复潜力，近期研究探索了微生物联合体与水生植物的结合使用。由具有专门代谢能力的细菌和真菌组成的微生物联合体，可以通过将复杂分子分解为更简单、毒性更小的形式，协同降解抗生素。水芙蓉、抗生素降解细菌和真菌的结合有可能创造一个协同系统，既能提高SMX的去除效率，又能实现对所得代谢产物的解毒。尽管植物-微生物系统已被探索用于污染物去除，但大多数研究集中于植物-细菌关联，对真菌如何促进水生大型植物系统中抗生素转化的关注有限。例如，白腐真菌如变色栓菌（Trametes versicolor）拥有能够氧化磺胺类药物的胞外漆酶和过氧化物酶；然而，它们在水芙蓉为基础的植物修复系统中的作用仍未得到充分表征。现有的SMX降解途径主要在单一微生物或二元联合体（如细菌-微藻或微藻-真菌）中得到解析，很少与高等水生植物结合。因此，真菌氧化代谢的具体贡献及其与植物和细菌介导的反应的潜在互补性仍不清楚。本研究通过将水芙蓉、一株SMX降解假单胞菌菌株和变色栓菌整合到一个三元联合体中，并系统地比较其与单一水芙蓉或水芙蓉与单一微生物伙伴配对的性能，来填补这些空白。
该研究发表在《Bioresource Technology》期刊上。为了阐明上述问题，研究人员开展了以下工作：他们构建了一个由无菌培养的水芙蓉、一株从水芙蓉内部分离出的SMX降解内生细菌（Pseudomonas sp. N6）、以及一株从水芙蓉根际分离的白腐真菌（Trametes versicolor N105）组成的三元联合体。实验设置了四个处理组进行对比：水芙蓉单作、水芙蓉+细菌、水芙蓉+真菌、水芙蓉+细菌+真菌。在12天的实验期内，研究人员系统评估了SMX的去除效率、水芙蓉的生长（生物量和相对生长速率）、生理响应（光合色素含量、氧化应激指标如丙二醛MDA、抗氧化酶活性）以及SMX的归趋（生物降解、生物积累、生物吸附和非生物消散）。通过液相色谱-串联质谱（LC-MS/MS）分析鉴定了SMX降解过程中的关键中间产物，并据此提出了可能的生物降解途径。研究在无菌控制的玻璃水族箱中进行，以排除外部微生物干扰，确保观察到的效应源于引入的联合体。
3.1. 水芙蓉在SMX暴露及不同微生物处理下的生长响应
水芙蓉的生物量在所有处理组中均持续增加。处理T4（水芙蓉+细菌+真菌）组的生物量积累最高，从初始的2.4克增加到3.9克，表明细菌和真菌的联合存在在SMX胁迫下增强了水芙蓉的生长。相对生长速率（RGR）也显示出一致趋势，T4组在实验末期达到最高值。这些结果表明，微生物相互作用通过减轻植物毒性和改善养分可利用性，显著增强了SMX暴露下水芙蓉的生长。
3.2. SMX对水芙蓉光合色素的影响
叶绿素a、叶绿素b和类胡萝卜素含量在所有处理组中均有所增加，其中T4组显示出最高的色素含量，显著高于对照组T1。叶绿素a/b比值在T4组中也最高，表明光合机构在SMX胁迫下得到了更好的适应。T4组的类胡萝卜素含量也最高，支持了其具有抵抗SMX诱导氧化应激的保护作用。这些发现表明，微生物联合体可以有效增强水芙蓉的光合色素含量，减轻抗生素暴露的负面影响。
3.3. SMX对水芙蓉抗氧化酶活性的影响
丙二醛（MDA）含量是脂质过氧化和氧化应激的指标，在对照组T1中最高，而在微生物处理组（T2, T3, T4）中显著降低，其中T4组降低最为明显。过氧化物酶（POD）、超氧化物歧化酶（SOD）、过氧化氢酶（CAT）和抗坏血酸过氧化物酶（APX）的活性在T1组中最高，反映了其对抗SMX诱导氧化应激的响应。相比之下，微生物处理组，特别是T4组，这些酶的活性较低。IAA氧化酶（与生长素代谢相关）活性在T4组中也较低。这些结果清楚地表明，细菌和真菌的存在显著增强了SMX的降解，从而降低了水芙蓉的氧化应激。抗氧化酶活性的降低表明，由于微生物联合体带来的更高效的解毒过程，植物自身的抗氧化防御机制需求减少。
3.4. SMX降解与去除效率
水中SMX的残留含量在所有处理中均随时间下降。到第12天，T1组（水芙蓉单作）SMX降至0.15 mg/L，而T4组（水芙蓉+细菌+真菌）则将SMX浓度降至定量限（0.05 mg/L）以下。相应的去除效率分别为：T1组85%，T2组（水芙蓉+细菌）92%，T3组（水芙蓉+真菌）89%，T4组接近100%。结果表明，添加细菌和真菌显著增强了SMX的降解，而细菌和真菌的联合使用（T4）实现了最高的去除效率。
3.5. 不同处理下SMX消散的质量平衡
对SMX消散的质量平衡分析显示，生物降解是所有处理中SMX消散的主要途径，尤其在微生物处理中。在T4组，生物降解贡献了0.90 mg/L的SMX去除。生物积累（植物组织吸收）和生物吸附（表面结合）的SMX在微生物处理中均低于对照组。非生物消散（如光解、水解）的贡献相对较低。这表明，在联合体处理中，生物过程，特别是微生物介导的降解，主导了SMX的去除，减少了污染物在植物体内的积累和表面残留。
3.6. 水芙蓉-细菌-真菌对SMX的 proposed 生物降解途径
通过LC-MS/MS分析，研究鉴定出包括3-氨基-5-甲基异恶唑（3A5MI）、4-氨基苯磺酸（4ABSA）和苯醌亚胺（BQI）在内的关键降解产物。基于这些中间产物的出现模式和已知反应，研究人员提出了三条互补的降解途径。途径A主要与微生物降解相关，涉及细菌和真菌的羟基化、氧化裂解等反应，产生如BQI等中间体。途径B和C则更多地体现了水芙蓉的贡献，涉及羟基化、脱氨基和磺胺键的断裂等植物酶促反应。这些途径共同构成了一个更完整的SMX转化网络，阐明了真菌的氧化裂解如何扩展了仅靠水芙蓉或假单胞菌所能实现的转化路线。
本研究得出结论，水芙蓉-细菌-真菌三元联合体在无菌条件下12天内实现了SMX的完全去除。生物降解是SMX消散的主要途径，其中真菌的氧化裂解与细菌的羟基化、水芙蓉介导的脱氨基作用形成了功能互补。该联合体不仅高效去除了目标污染物，还通过减轻氧化应激、促进光合色素合成和生长，增强了宿主植物水芙蓉的抗逆性。从机理上讲，该联合体通过功能分工运作：水芙蓉提供吸收、初始转化和生理缓冲；细菌（Pseudomonas sp. N6）启动细胞内羟基化和裂解反应；白腐真菌（Trametes versicolor N105）则提供强大的胞外氧化能力，实现芳香环裂解和磺胺键断裂。这些发现表明，将功能互补的细菌和真菌伙伴整合到以水芙蓉为基础的系统中，可以将抗生素的归趋从植物积累转向生物降解，从而减轻植物毒性胁迫，并减少母体化合物在浅水处理环境中的潜在持久性。这项工作支持了三元水芙蓉-微生物联合体作为抗生素修复的、基于自然过程的系统的潜力，同时强调在推广到实际应用前，需要在处理真实废水的中试规模反应器中进行验证的必要性。这项研究为设计更高效、更环保的废水处理策略提供了重要的科学依据和新的思路。
