《Journal of Hazardous Materials》：Systematic insights into 6PPD-quinone biotransformation by acclimated aerobic sludge: Kinetics, pathways, toxicity, and enzymatic mechanisms
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•好氧污泥通过一级动力学高效去除6PPD-Q（0.001–5 mg·L?1）。•提出了6PPD-Q的七种新型生物转化产物和新途径。•好氧污泥显著降低了6PPD-Q的急性毒性。•鞘氨醇单胞菌属、无色杆菌属和假单胞菌属在6PPD-Q驯化污泥中占主导地位。•细胞色素P450和过氧化
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好氧污泥通过一级动力学高效去除6PPD-Q（0.001–5 mg·L?1）。
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提出了6PPD-Q的七种新型生物转化产物和新途径。
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好氧污泥显著降低了6PPD-Q的急性毒性。
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鞘氨醇单胞菌属、无色杆菌属和假单胞菌属在6PPD-Q驯化污泥中占主导地位。
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细胞色素P450和过氧化物酶可能是6PPD-Q生物转化的关键酶。
引言
N-(1,3-二甲基丁基)-N′-苯基-对苯二胺（6PPD）是橡胶工业中不可或缺的反臭氧剂和抗氧化剂，凭借其卓越的防护性能，已成为全球轮胎制造中的主要添加剂，年产量达数十万吨[1]。然而，在暴露于大气臭氧后，6PPD会迅速转化为其醌类衍生物N-(1,3-二甲基丁基)-N′-苯基-对苯二胺醌（6PPD-Q）[2]。与母体化合物相比，6PPD-Q表现出明显更高的水生毒性，尤其是对银大麻哈鱼（Coho salmon），其中位致死浓度低至约95 ng·L?1；因此被确认为城市径流致死综合征的主要致病因子[3]。除水生生态系统外，越来越多的证据表明6PPD-Q可发生生物富集，诱导颗粒细胞凋亡和脂质代谢紊乱，并可能通过抑制特定信号通路进一步损害哺乳动物生殖功能，从而对生态安全和人类健康构成多方面威胁[4]，[5]。
由于其环境持久性，并持续通过轮胎和道路磨损颗粒释放，6PPD-Q已在全球多种环境介质中被普遍检出[6]，[7]。道路径流是其主要传输途径，报道的6PPD-Q浓度范围为<0.3至19 μg·L?1[3]，明显高于其母体化合物6PPD的浓度。然而，浓度随时间的波动可能导致局部峰值，某些时期6PPD-Q水平可远高于上述典型值[8]，[9]。此外，6PPD-Q已在加拿大、澳大利亚、日本和中国的受纳水体中被记录，浓度范围广泛（0.26–2,800 ng·L?1）[2]，甚至在饮用水源中也有检出[1]。除导致各种鱼类急性死亡外，包括湖鳟、虹鳟和溪鳟[10]，6PPD-Q对生物污水处理系统产生明显的抑制作用。暴露于环境相关浓度不仅抑制脱氮效率、破坏微生物群落结构和污泥沉降性，还增加细胞膜通透性[11]，从而促进质粒介导的抗生素抗性基因水平转移，加剧全球公共卫生风险[12]。鉴于其广泛的环境分布、极低的毒性阈值和复杂的毒理学机制，开发高效、经济且环境友好的去除技术至关重要。
目前，物理化学高级氧化过程（AOPs），如紫外激活过硫酸盐和臭氧氧化，通过强氧化机制可实现6PPD-Q的高效去除[13]，[14]。然而，这些方法通常涉及高运行成本、较大的操作复杂性和二次污染风险，限制了它们在大规模污水处理中的可持续应用[15]。相比之下，基于活性污泥的生物处理被广泛认为是处理难降解有机污染物的理想方法，因其经济可行、环境友好且无二次污染[16]。活性污泥群落拥有高度多样的微生物类群，可通过共代谢协同作用有效促进各种难降解污染物的降解，如氧化、脱羧和水解[17]，[18]。然而，现有研究表明6PPD-Q独特的醌结构赋予了其强抗菌毒性，即使在μg·L?1浓度下长期驯化后，活性污泥对6PPD-Q的降解效率仍然较低[11]。传统活性污泥工艺对6PPD-Q的去除效率有限，导致其在污泥系统中长期滞留并持续排入自然水生生态系统，从而构成重大生态风险[5]，[6]。这表明，传统市政污水处理厂中6PPD-Q的典型环境浓度（μg·L?1级）不足以产生富集有效降解者所需的自然选择压力。相比之下，大量研究表明，使用高浓度（mg·L?1级，如四环素、环丙沙星、硝基壬基苯酚）的新兴污染物对活性污泥进行长期驯化，可有效富集高效降解菌群[19]，[20]，[21]。然而，目前关于6PPD-Q生物降解的研究仍然极为匮乏，特别是在长期高浓度驯化下活性污泥微生物的降解机制、关键功能类群的鉴定、降解途径的阐明以及功能酶的探索方面。
为填补这些关键知识空白，本研究建立了三种连续流活性污泥系统，分别在好氧（AeS）、硝化（NS）和反硝化（DS）条件下运行。采用长期梯度驯化策略（mg·L?1级高浓度），系统研究6PPD-Q的降解性能及其潜在机制。具体目标如下：(1) 评估不同类型污泥中6PPD-Q的去除特性和抑制动力学；(2) 阐明6PPD-Q的主要生物转化途径及其转化产物（TPs）的毒性演变；(3) 揭示驯化期间优势功能属的富集模式和演替动态；(4) 通过分子对接探索潜在的6PPD-Q降解酶。最终，本研究旨在为6PPD-Q污染水环境的生物修复提供新的见解。
章节摘要
化学品与试剂
6PPD-Q标准品（纯度>97%，购自上海狄博生物技术有限公司，货号K674071，CAS号2754428-18-5）溶于HPLC级甲醇，配制成400 mg·L?1储备液，于-20°C避光保存至使用。所有其他化学品，包括乙酸钠（NaAc）、氯化铵和磷酸二氢钾，均为分析纯，购自国药集团化学试剂有限公司。HPLC级甲醇及其他流动相溶剂为
不同类型污泥对6PPD-Q的去除特性
三种污泥系统中6PPD-Q在连续驯化阶段中的降解性能见图1。在第一阶段（第1-60天，1 mg·L?1），对第1、15、29和43天采集的污泥进行的批次实验显示去除率始终较低且稳定。对于第43天采集的污泥，AeS、NS和DS的14天去除效率分别为19.2%、21.8%和16.3%。相比之下，在第二阶段（第
结论
系统评估了三种驯化污泥系统，包括好氧（AeS）、硝化（NS）和反硝化（DS），用于6PPD-Q的生物降解。AeS实现了最高的去除效率和最宽的底物耐受性，一级速率常数为0.175–1.006 d?1。长期梯度驯化富集了鞘氨醇单胞菌属、无色杆菌属和假单胞菌属作为优势属。UPLC–MS/MS提出了13种生物转化产物，其中包括7种首次提出的产物，显著
环境意义
6PPD-Q是一种高毒性的轮胎来源污染物，威胁全球水生生态系统，并可能破坏生物污水处理的稳定性。本研究表明，驯化后好氧污泥在环境相关浓度下能高效降解6PPD-Q，并显著降低其急性生态毒性。本研究提出了新型生物转化产物和途径，扩展了代谢谱。优势属的富集和潜在催化酶的分析
致谢
本工作得到国家自然科学基金（批准号42077128）和广东省基础与应用基础研究基金（批准号2026A1515012310和2024A1515010282）的资助。
CRediT作者贡献声明
王帅伶：研究方法。沙何：研究方法。彭兴兴：撰写-审阅与编辑、监督、资源、经费获取。余明轩：研究方法、资源。周乐乐：研究方法、数据整理。韩浩：撰写-审阅与编辑、撰写-初稿、可视化、项目管理。
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的竞争经济利益或个人关系可能影响本文所述工作。
韩浩|周乐乐|余明轩|王帅伶|沙何|彭兴兴
