在硝化活性污泥中，氨氧化细菌和异养细菌共同作用下对烷基双酚类物质（BPA、BPE和BPF）的协同转化

《Journal of Hazardous Materials》：Synergistic transformation of alkylbisphenols (BPA, BPE, and BPF) mediated by ammonia-oxidizing bacteria and heterotrophic bacteria in nitrifying activated sludge

双酚类化合物在硝化活性污泥中的转化机制及毒性风险研究。通过同位素示踪、质谱分析及微生物测序，发现ABPs（双酚A、E、F）在硝化过程中被转化为硝基芳香化合物和酚类中间体，其中AOB介导的亚硝酸盐非生物硝化是主要途径，导致<1%矿物化，而99%以潜在毒性中间体形式残留。BPS因磺酰基结构难以降解，成为持久性污染物。研究揭示了传统脱氮工艺可能产生硝基芳香类环境毒素，提出需优化工艺以降低风险。

　　

作者：徐航|张文辉|朱思成|沈炳宇|李新宇|姜炳奇|王连红|Philippe F.X. Corvini|Max M. H?ggblom|季荣

单位：中国南京大学环境学院，国家水污染控制与绿色资源循环利用重点实验室，南京 210023

摘要

在污水处理厂的氮去除过程中，双酚类化合物的转化过程及其相关的关键微生物群落仍不甚明了。本研究考察了一系列烷基双酚（ABPs，包括双酚A、双酚E和双酚F）和磺酰基双酚（双酚S）在富集的硝化活性污泥（NAS）中的转化情况。虽然双酚S在NAS中保持稳定，但ABPs被有效转化；然而，¹⁴C同位素追踪显示，大部分BPA（以及其他ABPs）以可转化的中间体和潜在有毒的硝基芳香化合物的形式存在于NAS中，仅有少量被矿化（<1%）。共鉴定出九种转化产物，包括硝基芳香化合物和单环酚类化合物。氨氧化细菌（AOB），主要是Nitrosomonas，驱动了ABPs向持久性硝基芳香产物的转化。异养细菌，如Sphingomonas、Methyloterena和Comamonas，通过II型ipso-羟基化和氧化裂解途径促进ABPs的转化，并进一步矿化了AOB介导的脱烷基硝化反应产生的中间体。通过结合批次实验、HPLC–QTOF-MS/MS分析、¹⁴C追踪和16S rRNA基因测序，我们全面了解了这些转化途径及其涉及的微生物群落。研究结果强调了AOB介导的非生物反应在ABPs转化中的重要作用，并警示传统使用NAS的氮去除过程可能产生有毒的持久性硝基芳香化合物，从而带来意想不到的环境风险。

引言

双酚类化合物是广泛用于生产各种工业和消费产品聚合物材料的合成化学物质[1]、[2]。最常用的双酚类化合物双酚A（BPA）在多种环境介质中频繁被检测到，包括土壤、水体、沉积物和活性污泥[3]、[4]。由于其内分泌干扰特性，许多国家和地区（如美国、欧盟、加拿大、中国和日本）已严格限制其在消费品中的使用[5]、[6]。因此，近几十年来引入了十几种BPA替代品，包括烷基双酚（ABPs，如双酚E（BPE）和双酚F（BPF）以及磺酰基双酚（如双酚S（BPS）[7]。然而，新的证据（包括体内和体外研究）表明，这些替代品也表现出与BPA相似的内分泌干扰效应，甚至具有DNA损伤、致癌性和氧化应激作用[8]。因此，迫切需要有效的方法来清除环境中的BPA及其类似物[1]、[3]。 污水处理厂（WWTPs）是双酚类化合物进入环境的主要来源[9]。在这些场所，BPA、BPF和BPS的浓度很高；例如，中国污水处理厂的废水中这些物质的浓度分别超过2000、40和60 ng L^–1，而在活性污泥中的浓度可高达1500、300和10 ng g^–1（干重）[10]。目前，活性污泥中的异养细菌和自养细菌（以氨氧化细菌为主）能够通过生物转化有效去除BPA[1]。 活性污泥既是各种有机污染物的来源，也是其汇[11]，从而富集了能够利用这些化合物的异养细菌。某些细菌在双酚类化合物的转化中起关键作用，如Sphingomonas [12]、[13]、[14]、Acinetobacter [15]、Cupriavidus [16]、Pseudomonas [16]、[17]、Mycobacterium [18]、Bacillus [19]、Comamonas [20]和Methyloterena [21]。这些细菌通过苯环上的羟基化、II型ipso羟基化、O-甲基化和氧化重排及裂解作用降解或转化BPA。值得注意的是，Sphingomonas因能通过氧化裂解作用降解BPA和BPE而受到广泛研究；然而，由于BPS分子中两个苯环之间连接有磺酰基，它无法转化BPS。在好氧活性污泥中，4-羟基乙酰苯酮、4-羟基苯甲醛、4-羟基苯甲酸和氢醌等单环中间体是BPA的主要转化产物。这些中间体可以在好氧条件下被微生物吸收或矿化为CO?[1]、[22]。 氨是污水处理厂中的主要氮化合物，进水中的浓度通常约为30 mg N L^–1，而在污泥中的浓度范围为1.0至8.6 g N L^–1 [23]。硝化作用（氨的氧化）是污水处理厂中去除氨的主要过程，通常包括两个步骤：第一步是由氨单加氧酶（AMO）催化氨氧化为羟胺，第二步是由羟胺氧化还原酶将羟胺氧化为亚硝酸盐[24]、[25]。在AOB介导的氮去除过程中，多种有机污染物也可能被共同代谢转化[26]。然而，AOB产生的亚硝酸盐也可能与非生物途径与这些化合物（如雌二醇、BPA和其他酚类）发生反应，显著促进有机污染物的转化[24]、[28]。 AOB与异养细菌之间的协同关系（如协同或互补转化）对于NAS中多种污染物的完全去除至关重要。这种协同作用已在磺胺甲噁唑[29]和17α-乙炔雌二醇[30]等化合物的研究中得到验证。然而，活性污泥中主要BPA替代品（包括BPE、BPF和BPS）的代谢途径和微生物转化机制仍不甚清楚。本研究旨在全面阐明NAS中ABPs的转化过程，解决以下知识空白：1）区分AOB和异养细菌对ABPs去除的相对贡献；2）解析AOB介导的非生物硝化作用与异养细菌驱动的生物转化之间的潜在协同或互补关系。为此，我们在适应性的NAS中研究了BPA、BPE、BPF和BPS的微生物和非生物转化过程。通过HPLC–QTOF-MS/MS分析了BPA、BPE和BPF的代谢途径，并通过构建共现网络确定了参与这些途径的关键细菌。对于BPA，使用¹⁴C追踪技术定量研究了其在NAS中的转化过程。

化学品

我们在实验室合成了均匀标记¹⁴C的双酚A（¹⁴C-BPA，浓度为3.41 MBq mmol^–1）[30]。未标记的BPS、BPA、BPE、BPF、p-硝基苯酚、p-羟基苯甲醛和p-羟基乙酰苯酮（均为分析纯）购自Aladdin生化科技有限公司（上海，中国）。p-羟基苯甲酸（分析纯）和硝化抑制剂烯丙基硫脲（ATU）购自Macklin生化科技有限公司（上海，中国）。

双酚类化合物在NAS中的转化

富集的NAS表现出较高的氨氧化活性，在与双酚类化合物共孵育64小时后，氨氧化速率达到40 mg g^–1·SS·h^–1 NH₄⁺-N（图S2），并在48小时内完全去除了ABPs（BPA、BPE和BPF），而BPS保持不变（图1）。相比之下，在NaN₃失活的对照组中，双酚类化合物没有显著损失，表明ABPs的去除是由微生物活动引起的。ABPs的损失遵循一级动力学（R² > 0.9）。

环境影响

ABPs（包括BPA、BPE和BPF）被转化为多种硝基化合物，如硝基ABPs、p-硝基苯酚和硝基脱烷基化ABPs，这些化合物对环境具有潜在风险。值得注意的是，硝基芳香化合物由于其稳定性、急性毒性和致突变性，对环境和人类健康构成重大威胁。虽然传统的污水处理过程可以消除ABPs，但在氨氧化和反硝化过程中产生的亚硝酸盐可能会加剧这些化合物的转化。

作者贡献声明

沈炳宇：方法学研究。 李新宇：实验研究。 张文辉：撰写、审稿与编辑、数据可视化、方法学研究、概念框架构建。 朱思成：实验研究。 徐航：撰写初稿、数据可视化、方法学研究、实验设计。 季荣：撰写、审稿与编辑、项目管理、资金筹集、概念框架构建。 Philippe F.X. Corvini：撰写、审稿与编辑。 Max M. H?ggblom：撰写、审稿与编辑。

利益冲突声明

作者声明不存在可能影响本文研究的已知财务利益或个人关系。

致谢

本研究得到了中国国家重点研发计划（项目编号2021YFA0910300）、国家自然科学基金（项目编号22436002、31861133003）和江苏省科技创新计划（项目编号BK20220036）的支持。