生物降解过程中典型药物和个人护理产品作为N-亚硝基二甲胺前体的归趋与去除机制研究

为解决消毒副产物N-亚硝基二甲胺（NDMA）的生成风险，研究人员针对含二甲胺（DMA）结构的药物和个人护理产品（PPCPs），系统研究了其在厌氧、缺氧和好氧条件下的生物降解路径与NDMA生成潜能（NDMA-FP）的关联。结果表明，厌氧降解可高效去除DMA基团（95.65–99.04%），显著降低NDMA-FP，为水回用系统中NDMA风险控制提供了关键理论依据。

　　

在当今水资源日益紧张的背景下，水回用已成为解决供水矛盾的重要策略。然而，这一过程面临着一个令人担忧的挑战：消毒过程中产生的致癌性副产物。其中，N-亚硝基二甲胺（NDMA）因其极强的致癌性（美国环保署将其列为B2类致癌物）和在水环境中的广泛检出，引起了学术界和监管机构的高度关注。更令人担忧的是，日常使用的药物和个人护理产品（PPCPs）中普遍存在的二甲胺（DMA）结构，被证明是NDMA形成的关键前体。这些物质在传统污水处理厂中难以完全去除，最终可能在水回用过程中转化为危险的NDMA。

针对这一环境健康风险，浙江理工大学的研究团队在《Journal of Water Process Engineering》上发表了一项开创性研究。该研究选取了三种具有代表性的PPCPs——雷尼替丁（ranitidine）、尼扎替丁（nizatidine）和氯苯那敏（chlorpheniramine），系统考察了它们在生物降解过程中作为NDMA前体的归趋与去除机制。

研究采用了多项关键技术方法：通过氯胺消毒实验量化NDMA生成潜能（NDMA-FP）；建立厌氧、缺氧和好氧生物反应体系模拟不同污水处理环境；利用液相色谱-质谱联用技术（LC-MS）追踪PPCPs降解路径；结合量子化学计算解析分子结构与反应活性的关系。实验所用PPCPs样品来自污水处理厂出水，确保了研究的环境相关性。

NDMA formation potentials of selected PPCPs
研究首先量化了三种PPCPs在氯胺消毒条件下的NDMA生成效率。结果显示，雷尼替丁表现出惊人的高转化率（84.21±3.21%），远高于尼扎替丁（4.14±0.25%）和氯苯那敏（4.43±0.37%）。这种差异源于分子结构特性：雷尼替丁的富电子呋喃环和空间位阻较小的DMA基团极大促进了氯胺的亲电攻击，而尼扎替丁和氯苯那敏则因空间位阻和电子效应表现出较低反应性。

Biodegradation pathways and NDMA-FP reduction
在生物降解实验中，厌氧条件展现出显著优势。三种PPCPs的降解速率常数（0.221–0.966 h^?1）远超好氧系统，主要通过硝基还原和脱氯等还原途径实现。尽管矿化不完全，但所有氧化还原过程均使NDMA-FP降低95.65–99.04%，这与DMA基团的近乎完全去除直接相关。结构分析发现，氯苯那敏降解会产生持久性氯化中间体（如对氯甲苯），提示可能存在替代性消毒副产物风险。

Conclusions
该研究证实，生物降解过程能有效靶向去除PPCPs中的DMA基团，从而大幅降低NDMA生成风险。特别值得注意的是，厌氧生物处理展现出卓越的DMA去除效率，这为优化污水处理工艺提供了重要方向。研究建议采用厌氧-好氧序批式处理工艺，优先通过厌氧阶段消除DMA基团，再经好氧处理进一步净化。此外，研究强调了对特定化合物进行监测的必要性，因为不同PPCPs的降解中间体可能具有差异化的环境风险。

这项研究的科学价值在于首次系统阐明了PPCPs生物降解路径与NDMA前体活性的关联机制，为水回用系统中的NDMA风险管控提供了理论依据和技术支撑。其现实意义则体现在指导污水处理厂优化工艺参数，在保障消毒效果的同时，最大限度降低致癌性副产物的生成风险，这对于推进安全的水资源回用具有重要实践价值。