人工甜味剂阿斯巴甜（ASP）因其高甜度（约为蔗糖的200倍）、低热量等优点，被广泛应用于无糖或低糖食品和饮料中。随着使用范围的扩大，其安全性日益受到关注。有研究表明，ASP及其代谢物可以影响人类的认知功能，包括学习、抑郁和焦虑。人工甜味剂在食品中的使用受到广泛关注和严格监管，但其在环境中的归趋及对污水处理系统的潜在影响仍研究不足。近年来，多种人工甜味剂已在全球污水处理厂出水甚至自然水体中被频繁检出。分甜味剂（如糖精、甜蜜素）可被活性污泥高效降解（>90%），而ASP（ASP）和安赛蜜（ACE）等则表现出较强的环境持久性（去除率仅25%-58%）。值得注意的是，ASP易吸附在污泥和悬浮颗粒物上，并在环境条件变化时重新释放，有二次污染风险。目前，关于ASP如何干扰硫驱动反硝化的机理研究仍较匮乏，其在基因层面对微生物代谢功能的影响亦尚不清楚。
【文章内容概要】
近日，深圳大学周礼杰团队在Environmental Chemistry and Ecotoxicology期刊上发表了题为“Functional genomic analysis reveals bacterial response of thiosulfate-driven denitrification to artificial sweetener ‘aspartame’”的研究论文。研究团队基于厌氧条件下的硫代硫酸盐供电子反硝化体系，设置0–25 mg/L梯度浓度ASP暴露实验，从反应性能、微生物群落结构、功能基因等多层次评估ASP对硫代硫酸盐驱动的自养反硝化体系的影响。
结果表明，反硝化作用在初期ASP低浓度暴露阶段被短暂抑制，然而，系统很快实现了功能恢复，表现出一定的抗扰动能力。对照期（0 mg/L ASP）硝酸盐去除率稳定在97%以上，开始投加ASP后体系出现短暂抑制，氮去除效率下降至约78%。但体系很快适应了ASP冲击，随后在10 mg/L和25 mg/L条件下依然能维持高效的硝酸盐去除，整个过程伴随氨氮持续极低以及出水ASP <0.25 mg/L的现象，表明体系实现了对ASP冲击的耐受与恢复。
图1展示了反应器各个阶段中微生物群落在属水平的变化。未加ASP的阶段I（A0）以Thiobacillales为优势类群，表明硫氧化过程在体系中占主导地位。进入阶段II（A1、A2）后，Thiobacillales 丰度明显下降，同期Rhodocyclales、Burkholderiales 等反硝化和耐受类群短暂上升，反映ASP对硫氧化通路的抑制及体系的代偿性响应。在较高浓度的阶段III（A3） 、阶段IV（A4），硫氧化类群保持较低但稳定的水平，Burkholderiales、Pseudomonadales 等耐受性强的类群进一步富集。
从出水情况来看，在第一和第二阶段，SO42-的减少与NO3--N的增加同时发生，这表明在ASP胁迫下硫氧化和硝酸盐/亚硝酸盐还原之间可能存在耦合。为验证氮循环与硫循环通路在功能层面上的存在协同变化，我们进一步统计了A0–A4样本中两类功能基因的总丰度进行分析（图2）。随着ASP浓度从0 mg/L逐步升至25 mg/L，硫氧化基因与反硝化基因的总体丰度变化趋势同步，两类基因之间的变化轨迹几乎重叠。进一步统计A0-A4样本中两类功能基因的总丰度后，Pearson线性回归分析显示二者相关性高达r = 0.976（p < 0.01），提示硫代硫酸盐氧化与硝酸盐还原在代谢网络中并非独立过程，而是倾向以“电子供体—电子受体”耦合模式共同响应外界扰动。而且，多个关键基因对呈现强共表达关系（|r| > 0.8），例如 soxB 与 nirS 的相关系数达到 0.943。在5 mg/L ASP导致的短期性能下降后，硫、氮功能基因丰度同步提升，相关酶活性（Nar、Nir、Nor、Nos，ELISA）也随着实验阶段上升。这些功能特征与基因丰度的阶段性变化基本吻合，对应硝酸盐还原能力的提升，反应器在随后的10与25 mg/L阶段维持≥97%的硝酸盐去除效率。总体上，从基因丰度到酶活性的协同响应表明，体系在ASP胁迫下通过模块化、耦合式的功能基因网络支撑了体系的快速恢复和整体稳定性。
机器学习方法在处理高维数据、捕捉非线性关系以及筛选重要特征方面极具优势，被广泛用于微生物生态与环境功能基因的解析，其中随机森林（Random Forest）适合用于评估多类功能基因对系统性能的相对贡献。因此，本研究引入随机森林模型，将硫循环与氮循环的功能基因作为特征变量，脱氮性能作为响应变量，通过特征重要性排序，从多个功能基因模块的协同变化中识别对ASP浓度最敏感的功能基因。结果表明，模型所识别的重要基因不仅包括反硝化核心路径（如nosZ、narB）及硫氧化系统（如soxZ、soxB），也涵盖了如nasC/cysI等参与电子转移和初级还原的枢纽型节点（图3）。其表达趋势在不同浓度下与阿斯巴甜变化基本协同，提示这些功能模块可能构成污染胁迫下的功能稳定核心。
本研究从反应性能、微生物群落结构、功能基因等多层次评估了ASP对硫代硫酸盐驱动的自养反硝化体系的影响。结果表明，ASP冲击会在短期内降低脱氮效率并引起硝酸盐、亚硝酸盐的暂时积累，但体系能够迅速恢复并重新维持稳定脱氮（≥97%）。在微生物学层面，ASP胁迫会影响硫氧化菌和反硝化菌的丰度结构，并驱动 sox、apr、dsr、nar等关键功能基因的协同调节，促进硫—氮耦合代谢模式。通过随机森林模型，进一步识别出决定体系稳健性的关键功能基因，包括 nasC、nasA、soxB、dsrA等。总体而言，本研究揭示了硫驱动反硝化体系在ASP胁迫下的恢复机制及其关键的功能基因特征，为理解新兴污染物对厌氧生物脱氮过程的影响提供了新的依据，也为工程应用中应对甜味剂类有机污染物提供了理论参考。
【原文链接】
Yue, X., Tang, J., Yang, T., Li, H., Zhuang, W.-Q. and Zhou, L. 2025. Functional genomic analysis reveals bacterial response of thiosulfate-driven denitrification to artificial sweetener “aspartame”. Environmental Chemistry and Ecotoxicology 7, 2580-2590.
【期刊介绍】
Environmental Chemistry and Ecotoxicology (缩写ENCECO) 主要聚焦化学品在全球环境中的传输规律及其在生态系统中的毒性机制，生物体中的生物利用度和生物蓄积性，食物链中的生物放大，以及生态系统分析中的新技术和新方法、跨学科生态毒理学信息的处理方法等。期刊主要研究方向包括：环境化学、生态毒理学、环境修复、风险评估等。
根据科睿唯安发布2023年度期刊引证报告，Environmental Chemistry and Ecotoxicology首个影响因子为9.0，在ENVIRONMENTAL SCIENCES和Toxicology学科领域均位于Q1区。《2025年中国科学院文献情报中心期刊分区表》正式发布，Environmental Chemistry and Ecotoxicology 荣列大类：环境科学与生态学1区，Top期刊；小类：ENVIRONMENTAL SCIENCES 环境科学1区；TOXICOLOGY 毒理学1区。
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