功能性细菌凝胶同步降解废水中孕酮和炔诺孕酮：转化产物与内分泌干扰效应的协同削减机制

针对废水中孕酮(P4)和炔诺孕酮(NGT)残留导致的生态风险，研究人员开发了细菌凝胶反应器(BGR)，通过固定化功能菌实现P4/NGT(降解率>97%)及其转化产物(TPs)的高效去除，并显著降低斑马鱼性腺转录组的内分泌干扰效应，为废水深度处理提供了创新解决方案。

　　

随着避孕药物和畜禽养殖业的广泛使用，人工合成孕激素如炔诺孕酮(NGT)与天然孕酮(P₄)在废水中的残留引发严重生态问题。这类物质即使在纳克/升(ng/L)浓度下，也能通过干扰鱼类性激素受体通路导致生殖异常。传统污水处理工艺对孕激素的去除效率有限，且其转化产物(TPs)可能具有更强的生物活性。更棘手的是，现有研究多聚焦单一污染物去除，忽略了TPs的累积风险。如何实现孕激素及其衍生物的协同削减，成为环境工程与生态毒理交叉领域的重大挑战。

针对这一难题，中国某研究团队在《Bioresource Technology》发表的研究中，创新性地将三株高效降解菌固定于碳气凝胶-水凝胶复合载体，构建了细菌凝胶反应器(BGR)。通过高分辨质谱(HRMS)分析TPs、斑马鱼转录组评估生态风险，并结合A/A/O工艺开展长期验证，系统解决了"污染物去除-TPs控制-风险削减"的协同问题。

关键技术方法

1. 功能菌筛选与固定化：从环境样品分离3株P₄/NGT降解菌，采用钠藻酸盐-丙烯酰胺共聚法固定于多孔碳气凝胶载体
2. 动力学分析：通过批次实验建立一级降解动力学模型
3. TPs鉴定：利用超高效液相色谱-四极杆飞行时间质谱(UHPLC-QTOF-MS)解析11种P₄-TPs和12种NGT-TPs
4. 生态风险评估：基于斑马鱼性腺差异表达基因(DEGs)的RNA-seq分析
5. 工艺联用：将BGR串联于A/A/O反应器后处理实际二级出水

研究结果

细菌凝胶表征
扫描电镜显示碳气凝胶具有蜂窝状多孔结构(比表面积达382 m²/g)，其表面附着的糖原纳米颗粒为微生物提供碳源。水凝胶包埋使菌体负载量达10⁸ CFU/g，在连续流条件下保持90%以上存活率。

降解动力学与TPs鉴定
P₄和NGT降解符合一级动力学，速率常数分别为0.09 h^?1和0.08 h^?1。TPs分析揭示4类转化路径：(1)C₁₇侧链裂解，(2)A环羟基化，(3)Δ⁴-3-酮基还原，(4)D环开环。值得注意的是，虽然部分TPs仍保留甾体骨架，但其雌激素当量浓度(EEQ)降低82%。

BGR长期运行效能
单独运行时对P₄/NGT去除率分别达99.3%和97.1%。串联A/A/O工艺后，可进一步削减二级出水中62% P₄和50% NGT，且出水暴露导致斑马鱼卵黄蛋白原(VTG)基因表达量恢复至背景水平。

结论与意义
该研究首次证实细菌凝胶技术可通过"载体设计-菌群构建-工艺优化"三重机制，同步实现孕激素母体去除、TPs丰度控制及内分泌干扰效应削减。特别突破在于：(1)碳气凝胶-水凝胶复合载体解决了传统固定化材料传质受限问题；(2)基于TPs分子结构的风险预警模型为其他新兴污染物处理提供范式；(3)A/A/O-BGR组合工艺展现工程化应用潜力。这项工作为废水深度处理提供了兼具科学创新性和工程可行性的解决方案，对保护水生生态系统具有重要实践价值。