Tween 80通过提高生物利用度和微生物群落的韧性，增强了旋转鼓式生物过滤器中对正己烷的去除效果

《Journal of Environmental Chemical Engineering》：Tween 80 Enhances n-Hexane Removal in a Rotating Drum Biofilter by Boosting Bioavailability and Microbial Community Resilience

　　

叶东云|施长杰|哈亚特·卡希夫|王泽宇|王庆燕|梅宇|帕特马尔拉尔·马拉卡莱|赫里斯潘·兹米特里|萨维茨卡娅·塔季扬娜|陈俊

浙江工业大学环境学院，中国杭州，310014

摘要

n-己烷是一种顽固的疏水性挥发性有机化合物（VOC），其生物降解性较低，这限制了它在工程化生物反应器中的降解效果。本研究将一种非离子表面活性剂（即Tween 80）引入旋转鼓式生物过滤器（RDB）中，以提高其清除效率。Tween 80显著降低了表面张力（从72 mN·m^-1降至45.15 mN·m^-1），增强了气液传质，并将-己烷的去除效率从42.93%提高至87.83%（去除能力从3.4 g·m^-3·h^-1提升至31.62 g·m^-3·h^-1）。高通量测序显示，Tween 80在整个运行过程中塑造了一个具有恢复力的微生物群落结构，该群落主要由放线菌和变形菌主导。在属水平上，分枝杆菌仍然是主要的烷烃降解菌（占比超过57%），即使在基质胁迫下仍能保持降解能力。分子生态网络分析表明，生态系统的稳定性不仅依赖于主导菌种，还依赖于具有强相互作用能力的关键属，包括芽孢杆菌、诺卡氏菌、微杆菌、肠杆菌和Chujaibacter。这些菌的存在表明它们具有强大的功能冗余性和基于相互作用的恢复力，从而能够在重新添加-己烷和Tween 80后迅速恢复降解性能。总体而言，Tween 80通过两条协同途径增强了-己烷的生物降解：提高疏水性基质的生物利用度，以及通过支持功能持久性、合作代谢和快速恢复来增强微生物群落的生态恢复力。这些发现为优化利用表面活性剂辅助的RDB系统处理疏水性VOC提供了基于恢复力的机制基础。

引言

挥发性有机化合物（VOCs）是广泛存在于各种人为活动中的环境污染物，包括溶剂使用、表面涂层、化学制造和燃料燃烧。由于其持久性、生物累积潜力和毒性，VOCs已成为全球空气质量的主要问题[1]。接触大气中的VOCs对人类健康构成严重威胁，从呼吸系统和皮肤的急性刺激到慢性神经效应和致癌风险增加[2]、[3]。除了直接的健康影响外，VOCs还是地面臭氧和二次有机气溶胶（SOAs）光化学形成的关键前体，并且对颗粒物（PM）污染也有很大贡献[4]、[5]。这些作用放大了它们的环境足迹，降低了区域空气质量并加重了公共健康负担。

在VOCs中，n-己烷是一种线性烷烃，具有高疏水性和低极性，广泛用于工业过程，特别是在化妆品、纺织、家具和皮革行业中作为清洁和脱脂剂[6]。它的物理化学性质使其具有高挥发性和环境迁移性，但同时也导致其在水中的溶解度极低和生物利用度差。这些特性阻碍了微生物对其的利用，从而造成了持续的环境污染和低效的生物降解。此外，长期暴露于-己烷与严重的神经毒性效应相关，包括周围神经病变，这凸显了有效去除技术的迫切性[7]、[8]。

目前的VOCs减排策略包括热焚烧、吸附、光催化氧化和生物处理。在这些方法中，当处理含有低至中等浓度VOCs的废气时，生物处理过程通常更具成本效益和环境友好性。VOCs的生物降解是一个复杂的过程，涉及多种微生物的协同作用。通常表现为微生物群落的协同代谢，而非单一优势物种的独立活动。在各种反应器系统中，已发现白色念珠菌、枯草芽孢杆菌、芽孢杆菌和Sporosarcina等菌株与VOCs的降解密切相关[9]、[10]、[11]。重要的是，生物反应器中的微生物群落结构并非静态的。适应性演替通常由环境因素和操作条件诱导，这可能会显著影响VOCs的去除效果。因此，分析微生物群落的组成和动态对于理解反应器性能、稳定性和在VOCs处理过程中的适应性至关重要。

气相生物反应器的主要类型包括生物过滤器（BF）、生物滴滤器（BTF）和旋转鼓式生物过滤器（RDB）。传统生物过滤器结构简单且经济实惠，但在长期运行中容易出现水分分布不均、生物质过度生长、堵塞和压力降增加等问题；而生物滴滤器通过液体循环提供了更好的营养供应和操作稳定性，尽管流动的液相引入了额外的传质阻力，并且仍然限制了难溶化合物的去除[12]、[13]。例如，Mokhtari[14]报告称，传统BF中-己烷的去除效率仅为18.7%至46.8%。为克服这些缺点，提出了RDB作为一种改进的生物膜反应器，在这种反应器中，填料介质在气相和液相之间旋转，从而增强了气液生物膜接触，改善了生物膜润湿和氧气/营养物质的传递，并促进了过量生物质的脱落；这有助于缓解堵塞和压力降的增加。

目前，已经探索了几种策略来增强疏水性VOCs的生物降解。一种方法是工程改造微生物细胞表面，以提高其对非极性基质的亲和力。陈[15]证明，在双相分配生物反应器中加入壳聚糖可以提高细胞表面的疏水性（CSH），从而增强-己烷的吸收。这种修改使最大去除效率提高到80.6%，去除能力提高到26.5 g·m^-3·h^-1，显著超过了对照组（61.3%和15.2 g·m^-3·h^-1）。另一种有前景的策略是添加表面活性剂，以改善疏水性污染物的溶解度和生物利用度，包括-己烷[16]。表面活性剂同时具有亲水性和疏水性基团，可以降低表面张力并形成胶束结构，使非极性和疏水性有机化合物在水相中溶解，从而便于微生物的利用[17]。最近的研究进一步表明，表面活性剂可以显著提高疏水性VOCs的去除效率。例如，在悬浮生长生物反应器中，3倍稀释度的Tween 80使环己烷的去除效率从29 ± 6%提高到87 ± 1%。它还促进了微生物群落向主要烃类降解菌属（如属于Solirubrobacterales的Paludisphaera, 67-14和Rhodococcus）的适应[18]、[19]。尽管取得了这些有希望的结果，但对表面活性剂在气-液-生物膜界面作用的机制理解仍然不完整。特别是，关于表面活性剂对微生物群落动态、功能适应性和在波动操作条件下的生态恢复力的系统影响仍存在关键知识空白。

Tween 80（聚氧乙烯（20）山梨醇单油酸酯）是一种非离子表面活性剂和乳化剂，广泛用于制药、化妆品和工业配方中，是增强-己烷生物降解的理想候选物。首先，其两亲结构赋予了强大的界面活性，可以降低表面张力，从而改善气液传质。其次，Tween 80可以调节微生物群落的动态，从而促进更有效的生物降解。最后，基于油酸的疏水基团可以作为额外的碳源，支持微生物生长并增强膜的流动性，进而提高微生物对环境压力的耐受性，如毒素暴露、温度波动、营养限制和pH变化[20]、[21]。

因此，本研究通过有针对性地引入Tween 80来研究RDB中-己烷生物降解的协同增强作用。该研究将系统评估：（1）Tween-80通过改善气液传质和基质生物利用度的物理化学机制；（2）微生物生态响应，包括群落结构的变化、功能适应和网络拓扑的变化。通过将工艺性能与高分辨率微生物分析相结合，这项工作建立了将表面活性剂驱动的物理化学改变与微生物群落恢复力和降解效率联系起来的机制框架，为设计针对顽固疏水性VOCs的稳健生物过滤系统提供了关键见解。

节段片段

菌株和化学品来源

本研究中使用的细菌来源于中国浙江台州市制药废水处理中的好氧活性污泥。污泥样本取自在稳定条件下运行的工艺单元。培养基的具体组成见文本S1。

目标污染物是疏水性-己烷（C₆H₁₄，纯度>99%），购自中国Aladdin公司。测试的表面活性剂包括十二烷基硫酸钠（SDS；C₁₂H₂₅O₄NaS，纯度92.5-100%）、西蒂基三甲基铵

表面活性剂筛选

为了克服RDB系统中-己烷的有限生物利用度，筛选了五种代表主要类别的表面活性剂，包括阴离子型（SDS）、阳离子型（CTAB）、非离子型（Triton X-100、Tween 80）和生物表面活性剂（鼠李糖脂）。通过空气-水系统中的表面张力降低来量化界面活性（图2）。所有表面活性剂都显著降低了水的表面张力，初始值约为72-73 mN·m^-1。其中，Tween 80的表现最好

结论

本研究系统地阐明了Tween 80如何通过同时改善物理化学传质和增强微生物群落的恢复力来增强RDB中-己烷的生物降解。添加Tween 80后，去除效率从42.93%提高至87.83%（EC从3.4 g·m^-3·h^-1提升至31.62 g·m^-3·h^-1），降低了表面张力并促进了分枝杆菌等烃类降解菌的富集。在高污染物负荷下

CRediT作者贡献声明

帕特马尔拉尔·马拉卡莱：可视化。兹米特里·赫里斯潘：验证。塔季扬娜·萨维茨卡娅：可视化。陈俊：监督、项目管理、资金获取、概念构思。叶东云：撰写——原始草案、方法学。施长杰：数据管理。哈亚特·卡希夫：撰写——审阅与编辑。王泽宇：实验研究。王庆燕：软件开发。梅宇：方法学。

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竞争性财务利益或个人关系。

致谢

本工作得到了国家基层研究与发展计划（2024YFE0108600）、浙江省重点研究与发展项目（2024C03232）以及国家自然科学基金（42177115, 42207161）的支持。