污泥堆肥过程中有机磷酸酯的生物降解途径及其对环境安全的影响

污泥堆肥中有机磷酯（OPEs）的微生物降解机制及环境驱动因素研究。筛选出枯草芽孢杆菌、芽孢杆菌属和柠檬酸杆菌三种高效降解菌株，构建合成微生物群落（SynCom）。在100 mg/kg OPEs胁迫下，55天堆肥使总OPEs降解率达87.6%，SynCom组TCPP和TPhP去除率超93%。揭示水解为首要降解途径，依赖磷酸酶等关键酶及红球菌属、泛菌属微生物协同作用，pH和总磷是核心环境驱动因子。为污泥资源化利用中OPEs污染控制提供理论支撑。

　　

王玉萌|张新林|吴亚文|孙晓铮|张旭|吕杰

中国东北农业大学生命科学学院，哈尔滨 150030

摘要

有机磷酸酯（OPEs）是一种日益引起关注的污染物，关于污泥堆肥过程中细菌对其转化的研究信息有限。在本研究中，在100 mg/kg的∑₇OPEs压力下，筛选并分离出了三种具有降解能力的细菌菌株——枯草芽孢杆菌、地衣芽孢杆菌和皮克特氏菌，并构建了一个合成细菌群落（SynCom）。在55天的污泥堆肥过程中，∑₇OPEs的浓度显著下降。在对照组（CK）中，TnBP的降解速度最快（>90%）。对于添加了SynCom的外源OPE组（T1B和T2B），TCPP和TPhP的去除率接近完全（>93%）。然而，高浓度的∑₇OPEs抑制了TCrP和EHDPP等化合物的降解。研究表明，在污泥堆肥过程中，水解是∑₇OPEs降解的主要途径。磷酸酶等功能性酶以及来自红球菌和副球菌的细菌菌株协同参与了降解过程。多元线性回归分析证实，SynCom通过增强磷酸单酯酶活性和富集产生磷酸酶的微生物来促进∑₇OPEs的去除。pH值和总磷（TP）被确定为影响这一降解过程的关键环境因素。该研究重点关注了污泥堆肥过程中OPEs的生物去除机制，系统评估了∑₇OPEs的生物降解效率，并阐明了核心代谢途径。此外，还鉴定出了与∑₇OPEs降解相关的关键微生物群落和功能基因，揭示了它们的调控作用。这为控制OPEs污染和促进污泥资源利用提供了科学依据。

引言

有机磷酸酯（OPEs）广泛用作阻燃剂、增塑剂和消泡剂，应用于多种工业领域。根据侧链结构的不同，OPEs可分为烷基-OPEs、芳基-OPEs和氯化-OPEs。OPEs具有空间移动性、生物累积性以及多种毒性作用[1]、[2]、[3]。多项研究发现，OPEs存在于人体样本中，并与内分泌系统紊乱、生殖障碍和潜在的癌症风险相关[4]、[5]、[6]。OPEs对环境的暴露对生态系统和人类健康构成潜在威胁，某些OPEs（如三（2-氯乙基）磷酸酯（TCEP）、三苯基磷酸酯（TPhP）在某些国家和地区已被限制使用[7]。

微生物降解是一种经济且环保的方法，可以有效减少OPEs的污染。与单一菌株相比，复合菌群具有更好的降解效果[8]。一项研究结合了三种高效降解菌株来降解TCEP，发现TCEP的逐步水解可能由不同的细菌群落催化。TCM1菌株能够将三（1,3-二氯异丙基）磷酸酯（TDCPP）和TCEP转化为醇类，与一种降解1,3-二氯丙醇的细菌和一种降解2-氯乙醇的细菌共同作用，可实现TDCPP和TCEP的完全矿化[9]。Sphingopyxis菌株和Pseudarthrobacter菌株的组合在4小时内可降解92.2%的TPhP[10]。OPEs的生物降解过程包括氧化反应、水解反应、甲基化和羟基化[11]。微生物通过多种酶（如磷酸二酯酶、细胞色素P450氧化酶和脱卤酶）的协同作用，实现对不同结构OPEs的靶向转化。磷酸酶可以通过识别并切断OPEs中的磷酸键，将其转化为相应的醇类和无机磷酸盐[12]。研究表明，特定的磷酸二酯酶可能在菌落内发生基因水平转移，从而提高菌落的磷酸二酯酶活性并增强降解效果[13]。一种基于PoOPHv5变体的人工磷酸酶在24小时内可降解99%的三苯基磷酸酯[14]。目前大多数研究仅关注一种或一类OPEs降解菌；然而，环境中OPEs的复杂性要求筛选出能够降解多种结构OPEs并高效分泌磷酸二酯酶的混合菌群。

不同结构的OPEs能够迁移至地表水或沉积物中。来自污水处理厂的污泥是包括OPEs在内的绝大多数污染物的汇集地[15]。最近的研究发现，由于污泥的陆地施用，土壤受到OPEs污染的概率增加。OPEs在土壤中可长期存在，并逐渐通过食物链进入人体，对生态系统造成潜在生态风险。多项研究发现，高温好氧堆肥中的微生物能释放磷酸酶、氧化酶和脱卤酶，这些酶可降解有机磷农药、邻苯二甲酸酯和多氯联苯[16]、[17]、[18]、[19]，研究还表明添加生物炭的污泥好氧堆肥能有效降解Σ₆OPEs，去除率可达约43.6%。现有研究展示了OPEs在各种环境中的生物降解情况，以及它们在污泥堆肥/消化等处理过程中的去除效率，以及与微生物群落结构变化之间的关系。尽管在将OPEs降解菌应用于堆肥以及污泥堆肥的生物降解机制方面仍存在空白，但本研究选择了七种典型的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），并设置了三种OPEs浓度梯度（0、5 mg/kg、10 mg/kg），添加了能够降解∑₇OPEs的细菌，以研究污泥堆肥对∑₇OPEs的降解效果。

本研究的目标是：（1）鉴定能够降解∑₇OPEs的合成微生物群落（SynCom）；（2）研究污泥好氧堆肥过程中∑₇OPEs的降解情况；（3）确定∑₇OPEs降解的关键酶基因和途径；（4）探讨堆肥过程中∑₇OPEs降解的驱动因素。这项研究有助于深入理解污泥堆肥过程中∑₇OPEs的去除机制，提高其去除效率，对于确保污泥堆肥的安全使用、避免有机污染问题以及实现污染和碳排放的协同减少具有重要意义。

材料与化学品

TPHP（99.8%）、TCrP（>99%）、TBEP（>95%）、TBP（>99%）和TCEP（>98%）购自Macklin（中国上海）。EHDPP（>98%）和TCPP（>98%）购自Yuanye Bio-Technology（中国上海）。替代标准d15-TPhP、d27-TBP、d12-TCEP购自Alta Scientific, Inc.（中国天津）。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

混合微生物群落对∑₇OPEs生物降解的影响

在100 mg/kg的∑₇OPEs压力下，成功筛选出了能够降解OPEs的合成微生物群落（SynCom）。分离并鉴定出的三种细菌菌株为枯草芽孢杆菌、地衣芽孢杆菌和皮克特氏菌。它们的系统发育树如图S1所示。在初始浓度为50 mg/kg的∑₇OPEs体系中，三种细菌菌株表现出不同的底物偏好（图S3）。枯草芽孢杆菌对TPhP的单一菌株降解能力最强

结论

本研究表明，污泥堆肥是一种环境可持续的核心技术，可用于降解Σ₇OPEs。堆肥过程中，Σ₇OPEs的浓度显著降低，其中TnBP的降解效率最高。在SynCom的增强作用下，TCPP和TPhP的降解率超过93%，同时促进了TCEP和TCrP等难降解化合物的分解。风险评估证实，堆肥有效缓解了这些化合物的污染风险

环境意义

本研究解决了污泥中有机磷酸酯（OPE）污染及其资源利用的限制问题。合成微生物群落（SynCom）有效降解了七种OPEs，TCPP和TPhP的去除率超过93%。堆肥过程中，OPEs主要通过水解途径降解，这一过程由关键磷酸酶介导，并由红球菌和副球菌等核心微生物属驱动。pH值和总磷（TP）在降解过程中起着关键调节作用

CRediT作者贡献声明

王玉萌：撰写 – 审稿与编辑、撰写 – 原稿、数据可视化、方法学、数据管理。吕杰：监督、资源提供、项目管理。张新林：数据可视化、软件应用、方法学、数据管理。吴亚文：方法学、实验研究、数据分析。孙晓铮：监督、软件应用、实验研究。张旭：项目管理、方法学、资金获取、概念构思。

利益冲突声明

作者声明没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文的研究结果。

致谢

本研究得到了国家自然科学基金（项目编号：42177023）的支持。

利益冲突声明

作者声明没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文的研究结果。