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        污泥堆肥過程中有機磷酸酯的生物降解途徑及其對環(huán)境安全的影響

        《Journal of Hazardous Materials》:Biodegradation pathway of organophosphate esters in sludge composting implications for environmental safety

        【字體: 時間:2026年02月27日 來源:Journal of Hazardous Materials 11.3

        編輯推薦:

          污泥堆肥中有機磷酯(OPEs)的微生物降解機制及環(huán)境驅(qū)動因素研究。篩選出枯草芽孢桿菌、芽孢桿菌屬和檸檬酸桿菌三種高效降解菌株,構(gòu)建合成微生物群落(SynCom)。在100 mg/kg OPEs脅迫下,55天堆肥使總OPEs降解率達87.6%,SynCom組TCPP和TPhP去除率超93%。揭示水解為首要降解途徑,依賴磷酸酶等關(guān)鍵酶及紅球菌屬、泛菌屬微生物協(xié)同作用,pH和總磷是核心環(huán)境驅(qū)動因子。為污泥資源化利用中OPEs污染控制提供理論支撐。

          
        王玉萌|張新林|吳亞文|孫曉錚|張旭|呂杰
        中國東北農(nóng)業(yè)大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院,哈爾濱 150030

        摘要

        有機磷酸酯(OPEs)是一種日益引起關(guān)注的污染物,關(guān)于污泥堆肥過程中細(xì)菌對其轉(zhuǎn)化的研究信息有限。在本研究中,在100 mg/kg的∑7OPEs壓力下,篩選并分離出了三種具有降解能力的細(xì)菌菌株——枯草芽孢桿菌地衣芽孢桿菌皮克特氏菌,并構(gòu)建了一個合成細(xì)菌群落(SynCom)。在55天的污泥堆肥過程中,∑7OPEs的濃度顯著下降。在對照組(CK)中,TnBP的降解速度最快(>90%)。對于添加了SynCom的外源OPE組(T1B和T2B),TCPP和TPhP的去除率接近完全(>93%)。然而,高濃度的∑7OPEs抑制了TCrP和EHDPP等化合物的降解。研究表明,在污泥堆肥過程中,水解是∑7OPEs降解的主要途徑。磷酸酶等功能性酶以及來自紅球菌副球菌的細(xì)菌菌株協(xié)同參與了降解過程。多元線性回歸分析證實,SynCom通過增強磷酸單酯酶活性和富集產(chǎn)生磷酸酶的微生物來促進∑7OPEs的去除。pH值和總磷(TP)被確定為影響這一降解過程的關(guān)鍵環(huán)境因素。該研究重點關(guān)注了污泥堆肥過程中OPEs的生物去除機制,系統(tǒng)評估了∑7OPEs的生物降解效率,并闡明了核心代謝途徑。此外,還鑒定出了與∑7OPEs降解相關(guān)的關(guān)鍵微生物群落和功能基因,揭示了它們的調(diào)控作用。這為控制OPEs污染和促進污泥資源利用提供了科學(xué)依據(jù)。

        引言

        有機磷酸酯(OPEs)廣泛用作阻燃劑、增塑劑和消泡劑,應(yīng)用于多種工業(yè)領(lǐng)域。根據(jù)側(cè)鏈結(jié)構(gòu)的不同,OPEs可分為烷基-OPEs、芳基-OPEs和氯化-OPEs。OPEs具有空間移動性、生物累積性以及多種毒性作用[1]、[2]、[3]。多項研究發(fā)現(xiàn),OPEs存在于人體樣本中,并與內(nèi)分泌系統(tǒng)紊亂、生殖障礙和潛在的癌癥風(fēng)險相關(guān)[4]、[5]、[6]。OPEs對環(huán)境的暴露對生態(tài)系統(tǒng)和人類健康構(gòu)成潛在威脅,某些OPEs(如三(2-氯乙基)磷酸酯(TCEP)、三苯基磷酸酯(TPhP)在某些國家和地區(qū)已被限制使用[7]。
        微生物降解是一種經(jīng)濟且環(huán)保的方法,可以有效減少OPEs的污染。與單一菌株相比,復(fù)合菌群具有更好的降解效果[8]。一項研究結(jié)合了三種高效降解菌株來降解TCEP,發(fā)現(xiàn)TCEP的逐步水解可能由不同的細(xì)菌群落催化。TCM1菌株能夠?qū)⑷?,3-二氯異丙基)磷酸酯(TDCPP)和TCEP轉(zhuǎn)化為醇類,與一種降解1,3-二氯丙醇的細(xì)菌和一種降解2-氯乙醇的細(xì)菌共同作用,可實現(xiàn)TDCPP和TCEP的完全礦化[9]。Sphingopyxis菌株和Pseudarthrobacter菌株的組合在4小時內(nèi)可降解92.2%的TPhP[10]。OPEs的生物降解過程包括氧化反應(yīng)、水解反應(yīng)、甲基化和羥基化[11]。微生物通過多種酶(如磷酸二酯酶、細(xì)胞色素P450氧化酶和脫鹵酶)的協(xié)同作用,實現(xiàn)對不同結(jié)構(gòu)OPEs的靶向轉(zhuǎn)化。磷酸酶可以通過識別并切斷OPEs中的磷酸鍵,將其轉(zhuǎn)化為相應(yīng)的醇類和無機磷酸鹽[12]。研究表明,特定的磷酸二酯酶可能在菌落內(nèi)發(fā)生基因水平轉(zhuǎn)移,從而提高菌落的磷酸二酯酶活性并增強降解效果[13]。一種基于PoOPHv5變體的人工磷酸酶在24小時內(nèi)可降解99%的三苯基磷酸酯[14]。目前大多數(shù)研究僅關(guān)注一種或一類OPEs降解菌;然而,環(huán)境中OPEs的復(fù)雜性要求篩選出能夠降解多種結(jié)構(gòu)OPEs并高效分泌磷酸二酯酶的混合菌群。
        不同結(jié)構(gòu)的OPEs能夠遷移至地表水或沉積物中。來自污水處理廠的污泥是包括OPEs在內(nèi)的絕大多數(shù)污染物的匯集地[15]。最近的研究發(fā)現(xiàn),由于污泥的陸地施用,土壤受到OPEs污染的概率增加。OPEs在土壤中可長期存在,并逐漸通過食物鏈進入人體,對生態(tài)系統(tǒng)造成潛在生態(tài)風(fēng)險。多項研究發(fā)現(xiàn),高溫好氧堆肥中的微生物能釋放磷酸酶、氧化酶和脫鹵酶,這些酶可降解有機磷農(nóng)藥、鄰苯二甲酸酯和多氯聯(lián)苯[16]、[17]、[18]、[19],研究還表明添加生物炭的污泥好氧堆肥能有效降解Σ6OPEs,去除率可達約43.6%。現(xiàn)有研究展示了OPEs在各種環(huán)境中的生物降解情況,以及它們在污泥堆肥/消化等處理過程中的去除效率,以及與微生物群落結(jié)構(gòu)變化之間的關(guān)系。盡管在將OPEs降解菌應(yīng)用于堆肥以及污泥堆肥的生物降解機制方面仍存在空白,但本研究選擇了七種典型的OPEs(三(2-氯丙基)磷酸酯(TCPP)、三(2-氯乙基)磷酸酯(TCEP)、三丁基磷酸酯(TnBP)、三丙基磷酸酯(TCrP)、2-乙基己基二苯基磷酸酯(EHDPP)、三苯基磷酸酯(TPhP),并設(shè)置了三種OPEs濃度梯度(0、5 mg/kg、10 mg/kg),添加了能夠降解∑7OPEs的細(xì)菌,以研究污泥堆肥對∑7OPEs的降解效果。
        本研究的目標(biāo)是:(1)鑒定能夠降解∑7OPEs的合成微生物群落(SynCom);(2)研究污泥好氧堆肥過程中∑7OPEs的降解情況;(3)確定∑7OPEs降解的關(guān)鍵酶基因和途徑;(4)探討堆肥過程中∑7OPEs降解的驅(qū)動因素。這項研究有助于深入理解污泥堆肥過程中∑7OPEs的去除機制,提高其去除效率,對于確保污泥堆肥的安全使用、避免有機污染問題以及實現(xiàn)污染和碳排放的協(xié)同減少具有重要意義。

        材料與化學(xué)品

        TPHP(99.8%)、TCrP(>99%)、TBEP(>95%)、TBP(>99%)和TCEP(>98%)購自Macklin(中國上海)。EHDPP(>98%)和TCPP(>98%)購自Yuanye Bio-Technology(中國上海)。替代標(biāo)準(zhǔn)d15-TPhP、d27-TBP、d12-TCEP購自Alta Scientific, Inc.(中國天津)。MSM含有(NH4)2SO4(2 g/L)、Na2HPO4·12H2O(1.5 g/L)、KH2PO4(1.5 g/L)、MgSO4(0.2 g/L)、CaCl2·2H2O(0.01 g/L)、MnSO4·H2O(1.43 mg/L)、ZnSO4·7H2O(0.22 mg/L)、CuSO4·5H2O(0.03 mg/L)、CoSO4·7H2O

        混合微生物群落對∑7OPEs生物降解的影響

        在100 mg/kg的∑7OPEs壓力下,成功篩選出了能夠降解OPEs的合成微生物群落(SynCom)。分離并鑒定出的三種細(xì)菌菌株為枯草芽孢桿菌地衣芽孢桿菌皮克特氏菌。它們的系統(tǒng)發(fā)育樹如圖S1所示。在初始濃度為50 mg/kg的∑7OPEs體系中,三種細(xì)菌菌株表現(xiàn)出不同的底物偏好(圖S3)。枯草芽孢桿菌對TPhP的單一菌株降解能力最強

        結(jié)論

        本研究表明,污泥堆肥是一種環(huán)境可持續(xù)的核心技術(shù),可用于降解Σ7OPEs。堆肥過程中,Σ7OPEs的濃度顯著降低,其中TnBP的降解效率最高。在SynCom的增強作用下,TCPP和TPhP的降解率超過93%,同時促進了TCEP和TCrP等難降解化合物的分解。風(fēng)險評估證實,堆肥有效緩解了這些化合物的污染風(fēng)險

        環(huán)境意義

        本研究解決了污泥中有機磷酸酯(OPE)污染及其資源利用的限制問題。合成微生物群落(SynCom)有效降解了七種OPEs,TCPP和TPhP的去除率超過93%。堆肥過程中,OPEs主要通過水解途徑降解,這一過程由關(guān)鍵磷酸酶介導(dǎo),并由紅球菌副球菌等核心微生物屬驅(qū)動。pH值和總磷(TP)在降解過程中起著關(guān)鍵調(diào)節(jié)作用

        CRediT作者貢獻聲明

        王玉萌:撰寫 – 審稿與編輯、撰寫 – 原稿、數(shù)據(jù)可視化、方法學(xué)、數(shù)據(jù)管理。呂杰:監(jiān)督、資源提供、項目管理。張新林:數(shù)據(jù)可視化、軟件應(yīng)用、方法學(xué)、數(shù)據(jù)管理。吳亞文:方法學(xué)、實驗研究、數(shù)據(jù)分析。孫曉錚:監(jiān)督、軟件應(yīng)用、實驗研究。張旭:項目管理、方法學(xué)、資金獲取、概念構(gòu)思。

        利益沖突聲明

        作者聲明沒有已知的財務(wù)利益或個人關(guān)系可能影響本文的研究結(jié)果。

        致謝

        本研究得到了國家自然科學(xué)基金(項目編號:42177023)的支持。

        利益沖突聲明

        作者聲明沒有已知的財務(wù)利益或個人關(guān)系可能影響本文的研究結(jié)果。
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