从分子层面探究溶解态黑碳在促进沉积物中药物厌氧生物降解中的作用

《Bioresource Technology》：Molecular–level insights into the role of dissolved black carbon in promoting anaerobic biodegradation of pharmaceuticals in sediments

本研究构建矿物-DBC-微生物微宇宙系统，模拟秸秆和烟灰来源的溶解性黑碳对土两大霉素和利托那韦厌氧生物降解的影响。结果表明DBC通过外源电子传递提高降解率，并建立基于Fe(II)产量的红氧化效率定量新方法，发现未饱和氧化态CHO和CHNO是主要活性成分。该研究深化了DBC在沉积物中药物降解的分子机制理解。

　　

李青山|史月|王欣|龚文文|蔡婷|布青伟

中国矿业大学（北京）化学与环境工程学院，北京 100083，中华人民共和国

摘要

溶解性黑碳（DBC）作为药物生物降解机制中的细胞外电子转移载体的作用，及其氧化还原效率和氧化还原活性成分仍不甚明了。本研究构建了一个矿物-DBC-微生物微宇宙系统，以模拟秸秆衍生和烟尘衍生DBC对沉积物中四环素和利托那韦厌氧生物降解的影响。结果表明，与仅含有水铁矿和微生物的系统相比，DBC的存在使四环素和利托那韦的生物降解率分别提高了66.7%和32.6%。DBC被证实能作为细胞外电子穿梭体促进药物生物降解。本研究建立了一种新的方法，使用9,10-蒽醌-2,6-二磺酸作为参考物来量化Fe(II)的生成，从而确定DBC和水铁矿之间的实际氧化还原效率。秸秆衍生DBC在300°C、500°C和700°C下热解时的氧化还原效率分别为30.3%、57.0%和64.2%，而烟尘衍生DBC的氧化还原效率为36.4%，均低于溶解性腐殖物质的氧化还原效率（72.2%）。机器学习分析显示，未饱和氧化态的CHO和CHNO分子是DBC中的主要氧化还原活性成分。本研究加深了对DBC在沉积物中微量有机污染物生物地球化学过程中作用的理解。

引言

药物（PhP）主要用于预防和治疗人类和动物的疾病。然而，由于近年来其广泛使用，PhP已在各种环境介质中扩散，对生态和人类健康构成潜在风险。因此，PhP在环境中的传输和转化过程日益受到研究人员的关注（Liu等人，2023年；Schaper等人，2018年）。

研究表明，沉积物是微量有机污染物在水生环境中生物降解的主要汇，并起着关键作用（Schaper等人，2019年；Schaper等人，2018年）。在厌氧条件下，微生物利用丰富的矿物质（如Fe和Mn）作为细胞外电子受体进行呼吸作用。具体而言，Fe(III)/Mn(IV)还原细菌可以还原Fe(III)和Mn(IV)矿物，从而促进咖啡因、萘普生、美托洛尔和普萘洛尔等药物的厌氧生物降解（Liu等人，2020年）。沉积物中的Fe(III)/Mn(IV)矿物显著有助于去除微量有机污染物。当有机物参与矿物还原过程时，Fe(III)/Mn(IV)还原细菌的代谢速率加快，促进了矿物的转化和污染物的生物降解。

溶解性黑碳（DBC）是沉积有机碳的关键组成部分，主要由木质素、纤维素、石墨化碳、聚合物芳香物质和多环芳烃构成（Qu等人，2016年）。由于其独特的分子结构，DBC具有电子转移特性、自由基生成催化活性以及影响微生物功能基因的能力（Xu等人，2021年；Yang等人，2023年；Yang等人，2024年）。在自然环境中，DBC可以参与络合、非生物转化、生物降解、光催化和化学催化过程，有效去除难降解的有机污染物（Wang等人，2025年；Wang等人，2026年；Zhang等人，2023a；Zhou等人，2025年）。在厌氧沉积环境中，DBC可以通过异化铁还原细菌的作用参与铁矿物的还原，从而影响有机污染物的降解。例如，Zhang等人证明，在不同温度下热解的DBC可作为电子穿梭体，促进铁矿物还原并加速污染物转化（Zhang等人，2023a）。目前对DBC的理解仅限于其作为电子穿梭体的功能。然而，DBC作为电子穿梭体所介导的微生物转化本质上取决于其氧化还原效率。目前，对DBC氧化还原效率的定量理解仍不充分。

目前确定DBC氧化还原效率的方法主要依赖于化学试剂。这些方法使用强氧化剂（如O₂）或强还原剂（如硼氢化钠、连二亚硫酸钠、柠檬酸钛（III）、硫代硫酸钠）来氧化或还原DBC。然后根据氧化和还原电流峰的电化学测量结果计算电子接受能力（EAC）、电子捐赠能力（EDC）和电子储存能力（ESC）（Xin等人，2021年；Yang等人，2022年）。然而，由于电化学技术和化学试剂在DBC氧化还原过程中的能力远高于微生物酶，因此DBC与微生物之间的实际电子转移能力往往被高估。

DBC的氧化还原效率受其物理化学性质的影响。重要的是，需要识别出对氧化还原效率有贡献的DBC中的氧化还原活性结构。一些研究已将醌类、氢醌和多酚化合物确定为DBC中的主要氧化还原活性物质（Zhang等人，2023a；Zheng等人，2019年）。其他研究还发现含硫和氮的芳香化合物也参与了DBC的电子转移能力（Yang等人，2022年；Zhao等人，2023年）。然而，由于DBC分子组成的异质性和复杂性，对DBC中氧化还原活性分子的理解仍然不足，这进一步阻碍了对负责电子转移的关键分子成分的全面了解。

为填补这些知识空白，选择了在不同温度下热解的秸秆衍生DBC和烟尘衍生DBC作为代表性的DBC类型。建立了一个基于微宇宙的厌氧生物降解系统，以模拟沉积物中PhP的降解特性，并研究DBC在微生物矿物还原中的作用。选择四环素（TC，融合环结构）和利托那韦（RTV，非融合链结构）作为沉积物中的代表性模型污染物。进一步使用功能性醌还原菌株量化了DBC与水铁矿之间的氧化还原效率。最终，通过高分辨率质谱确定了关键的氧化还原活性分子。本研究量化了微生物与DBC之间的实际氧化还原效率，并为DBC在沉积物中作为氧化还原介质的分子机制提供了宝贵的见解。

章节片段

微生物与培养

所有所用化学品的详细信息见文本S1。Shewanella oneidensis MR–1在胰蛋白酶大豆肉汤（TSB）培养基中好氧培养（Tu等人，2023年）。将培养物悬浮在无氧碳酸氢盐缓冲液中（30 mM，pH 7），最终细胞密度为8 × 10⁸细胞/mL。

醌还原菌株的富集和培养遵循我们之前研究中的程序（Li等人，2023年）。简而言之，厌氧接种物在矿物盐培养基中培养

PhP的非生物降解

利托那韦（RTV）和四环素（TC）的非生物降解速率见图S2。当厌氧系统中仅存在PhP时，非生物降解速率可以忽略不计（< 6%）。图S3显示了Fh对RTV和TC非生物降解的影响。结果表明，RTV和TC的非生物降解速率分别为32.1%和75.1%。这种现象可能归因于水铁矿的吸附和氧化作用。

结论

本研究构建了一个厌氧微宇宙系统，以模拟DBC对RTV和TC生物降解的影响。结果表明，DBC可以作为电子穿梭体来提高PhP的生物降解速率。随着热解温度的升高，秸秆衍生DBC促进PhP生物降解的能力逐渐增强。烟尘衍生DBC对PhP生物降解的增强效果介于300°C和500°C衍生的DBC之间。

CRediT作者贡献声明

李青山：撰写——原始草稿、可视化、方法学、研究、数据管理、概念化。史月：方法学、研究、形式分析。王欣：可视化、软件、数据管理。龚文文：资源、项目管理、研究。蔡婷：可视化、方法学。布青伟：撰写——审阅与编辑、验证、监督、资源获取。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能会影响本文所述工作的财务利益或个人关系。

致谢

本工作得到了国家自然科学基金（批准号：42477046；42277406；21777188）的共同支持。