白腐真菌对生物固体相关有机化合物生物降解的非靶向评估

《Environmental Science: Advances》：Non-targeted assessment of biosolid-associated organic compound biodegradation by white-rot fungiOpen Access

　　

生物固体含有人为有机污染物的异质混合物，这些污染物在污水处理过程中持续存在，并在土地施用后可能带来环境风险。白腐真菌因其能够分泌非特异性胞外氧化酶，转化吸附于固体基质上结构多样的化合物，而被提议作为一种处理策略。在本研究中，研究人员使用非靶向分析（non-targeted analysis, NTA）评估了两种白腐真菌——变色栓菌（Trametes versicolor）和糙皮侧耳（Pleurotus ostreatus）——降解生物固体相关有机污染物（biosolid-associated organic contaminants, BOCs）的能力。在生物固体中检测到的91种BOCs中，29%和20%分别在T. versicolor和P. ostreatus存在下减少，而非生物对照组为10%。大多数化合物在真菌暴露后七天内显著减少，且T. versicolor暴露时观察到的降解程度高于P. ostreatus。这些化合物包括具有毒理学关注度的BOCs，如N,N′-二苯基胍、双酚S、三(2-氯异丙基)磷酸酯和苯海拉明。此外，当暴露于T. versicolor（38%的BOCs）和P. ostreatus（36%）时，几种BOCs的丰度增加，这表明它们是由其他人为化学物质分解形成的转化产物，或随时间从生物固体基质中解吸出来。通过将随机森林特征重要性排序与双尾Fisher精确检验相结合，研究人员发现酚基与真菌降解显著相关（p < 0.01），而胺基的存在与代谢持久性相关。总之，这些结果表明真菌能够快速转化多种BOCs，且最显著的化合物减少发生在暴露的前七天内。

生物固体是污水处理厂污泥消化后的产物，富含碳、氮、磷等养分，常被作为农田肥料利用。然而，生物固体中富集了大量人为有机污染物（BOCs），这些污染物在常规污水处理中难以完全去除，土地施用后可能通过植物吸收或地下水淋溶进入环境，对生态系统和人体健康构成潜在风险。尽管美国环保署已列出700余种生物固体污染物，但实际存在的化合物种类更多，且许多缺乏环境行为数据。传统的焚烧、臭氧化等非生物处理方法能耗高、成本大，而现有生物处理对吸附态污染物效果有限。白腐真菌能够分泌非特异性胞外氧化酶，具有降解复杂有机污染物的潜力，但其在生物固体基质中对广谱BOCs的降解能力尚未得到充分评估。为此，研究人员开展了本研究，采用非靶向分析（NTA）评估变色栓菌（Trametes versicolor）和糙皮侧耳（Pleurotus ostreatus）在固态生物固体体系中的降解效果。研究发现，在91种检测到的BOCs中，T. versicolor和P. ostreatus分别使29%和20%的BOCs显著减少，而非生物对照组仅10%；多数化合物在7天内下降，且T. versicolor效果更优。通过随机森林（Random Forest, RF）模型与Fisher精确检验，发现酚基与真菌降解显著相关，胺基则与代谢持久性相关。该研究证明了白腐真菌能快速转化广谱BOCs，为生物固体安全利用提供了低能耗的生物修复新思路。论文发表在《Environmental Science: Advances》。

在技术方法上，研究人员采用非靶向分析（NTA）结合液相色谱-高分辨质谱（LC-HRMS）对生物固体提取物进行化合物鉴定与动态监测。生物固体样本来自采用热水解和厌氧消化的污水处理厂（Class A biosolids）。实验使用T. versicolor PAP 52和P. ostreatus Florida F6菌株，在含有麦秆的固态基质中于25 ℃暗处培养，并在0、7、14、21、30、40、50、60天取样。数据处理使用Compound Discoverer，基于Schymanski标准对化合物进行置信度分级（Level 1/2）。统计分析采用ANOVA与Tukey事后检验，结合随机森林建模和双尾Fisher精确检验识别关键官能团，并计算质量调整危害得分（QAHS）进行风险筛查。

结果部分如下：

**Detection of biosolid-associated organic contaminants**：通过NTA在生物固体中鉴定出91种BOCs，分为表面活性剂/洗涤剂/清洁剂（42种）、药物和个人护理产品、增塑剂/聚合物添加剂、其他工业化学品、食品添加剂/农用化学品五类。其中包含PFAS、聚乙二醇/聚丙二醇系列，以及7种以往未在生物固体中报道过的磺酸类化合物。

**Fate of BOCs exposed to white-rot fungi**：根据时间序列ANOVA与Tukey检验，将BOCs的行为分为显著减少、显著增加和无变化三类。

**Decreasing BOCs: fungal species independent**：两种真菌共同使26种（T. versicolor）和18种（P. ostreatus）BOCs显著减少。例如安非他明分别减少41%和33%，水杨酸减少93%和76%，N,N′-二苯基胍在T. versicolor处理60天后降至检测限以下。

**Decreasing BOCs: fungal species dependent**：11种化合物仅被T. versicolor显著去除，如卡马西平、三(2-氯异丙基)磷酸酯（TCPP）、氢醌等降至检测限以下。5种化合物仅被P. ostreatus显著去除，包括西酞普兰、山梨酸、双酚S（58.3%）和苯海拉明（64.4%）。差异可能与菌丝形态及酶竞争有关。

**No change BOCs**：所有PFAS化合物在真菌处理下均无显著变化，因为氧化脱氟在热力学上不利；五种腐蚀抑制剂（苯并噻唑、十八胺等）也未显著变化，可能与其强吸附性有关。

**Increasing BOCs due to fungal presence**：聚乙二醇（PEG n12–n21）、聚丙二醇（PPG n4–n16）及部分烷基磺酸盐在真菌样本中丰度增加，可能是长链母体被代谢为短链产物。转化产物如邻苯二甲酸单(2-乙基己基)酯（MEHP）、石竹烯氧化物和邻苯二甲醛在真菌样本中检出。

**White-rot fungal treatment efficacy and species comparison**：T. versicolor处理的BOCs减少比例最高（30%，26/88），平均下降幅度（?93%）大于P. ostreatus（?82%）和对照组（?67%）。多数显著减少发生在暴露后7天内。线性回归显示BOCs的理化性质（log K_ow、电荷等）对降解行为预测力很弱（R²均低于0.22）。

**Predictive degradability/persistence based on chemical functional group**：随机森林模型表明胺基、酚基和醚基是预测真菌降解的最重要特征。酚类化合物中82%（T. versicolor）和76%（P. ostreatus）被降解，而胺类化合物分别有93%和82%未变化。T. versicolor模型准确率77.2%，Cohen's kappa为0.54；P. ostreatus模型准确率69.2%，kappa为0.37；非生物对照模型kappa接近0，说明被动损失无系统结构-活性关系。

在讨论中，研究人员指出真菌处理快速且广谱，但PFAS和腐蚀抑制剂仍持久。危害评估显示，T. versicolor使6种高风险BOCs（如8-羟基喹啉、氢醌、TCPP、卡马西平等）显著降低，P. ostreatus使5种高风险BOCs（如1,3-二邻甲苯胍、苯海拉明等）显著降低。但PFOA和DEHP未被降解。转化产物MEHP和邻苯二甲醛具有较高风险，需进一步关注。研究还指出，使用高压灭菌生物固体忽略了土著微生物的影响，未来需在非无菌条件下评估。

结论部分翻译如下：使用白腐真菌降解生物固体中的有机污染物，相比传统处理方法具有多项优势。由于白腐真菌分泌的胞外氧化酶能作用于吸附在固体表面的化合物，它们特别适合固体基质中的污染物转化。真菌能物理穿透生物固体，在自然环境中广泛存在，且是一种成本相对较低的污染物降解策略。本研究结果表明，白腐真菌能够降解多种其他微生物通常无法降解的BOCs。本研究的一个关键发现是真菌降解的快速动力学；对于发生显著生物转化的BOCs，绝大多数在暴露的前两周内减少。与传统堆肥或被动稳定化需要数月才能实现部分污染物削减，或热焚烧需要大量能源投入相比，这些结果凸显了白腐真菌菌剂强化（mycoaugmentation）作为一种低能耗、生物驱动的修复策略的价值。如果在与生物固体混合之前，将白腐真菌接种到散装基质（即麦秆）上，很可能会提高降解速率，因为酶会立即分泌，菌丝进入生物固体的速度也会更快，从而可能最大化处理通量。