在污泥堆肥过程中，比较评估不同生物添加剂对促进典型药物代谢产物（PPCPs）降解及降低生态风险的作用

《Journal of Environmental Chemical Engineering》：Comparative evaluation of bio-additives for promoting typical PPCPs degradation and reducing ecological risk during sewage sludge composting

　　

摘要

三氯生（TCS）和布洛芬（IBU）在污泥堆肥过程中的持久存在对环境构成了挑战，并限制了堆肥的安全再利用。本研究系统评估了四种生物添加剂——纤维素酶（CL）、蛋白酶（PR）、污泥发酵菌（SF）和高效微生物接种剂（EM）在提高TCS和IBU去除率及降低生态风险方面的效果。与对照组相比，所有处理方式均增加了NO?-N的积累（增幅为8.7-36.3%），并提高了关键酶的活性，从而显著增强了TCS（19.1-43.1%）和IBU（33.7-48.4%）的降解速率。其中，CL和EM的处理效果最为显著。微生物群落分析显示，CL和EM显著重塑了细菌结构，使得优势菌门的分布更加均衡。在属水平上，相关性分析表明CL和EM丰富了特定细菌属，这些细菌属与目标化合物的降解具有正相关关系。基于风险商（RQ）进行的风险评估确认，使用CL和EM处理的堆肥在土地应用过程中具有最低的环境风险（RQ<0.01）。这些结果表明，特别是CL和EM，为加速TCS和IBU的降解并降低其RQ提供了一种有效策略。然而，土地应用的整体安全性仍需通过进一步的中间识别和全面的生态毒性评估来验证。

引言

布洛芬（IBU）和三氯生（TCS）是两种典型的药品和个人护理产品（PPCPs），被归类为新兴的有机污染物。IBU是一种广泛使用的非甾体抗炎药，而TCS是一种常用于个人护理产品的广谱抗菌剂。这两种化合物经常在废水和污泥中被检测到[1]，[2]。Jiang等人[3]报告称，在脱水污泥中，IBU和TCS的累积积累率分别为37.2%和60.5%。随着污泥的土地应用，这种做法已成为环境中长期释放PPCPs的一个重要来源[4]。一旦这些化合物进入生态系统，它们可能会通过食物链积累，可能导致动物生殖能力受损、癌症风险增加、光合作用受阻以及代谢途径改变[5]。根据中国生态环境部的数据（2023年），2023年污泥的产生量达到了5330万吨，对其安全和有效处理提出了重大挑战。

堆肥已被证明是一种有效的污泥回收方法，可以利用微生物过程减少病原体并降解有机污染物[6]。许多研究表明，某些有机污染物（包括合成麝香、三氯生和氟喹诺酮类）在污泥堆肥过程中可以有效地被降解[7]，[8]，[9]。例如，Zheng等人[10]报告称，在两种不同的堆肥系统中，三氯生的降解效率分别为82.8%和62.7%。然而，堆肥系统中微生物群落的异质性和复杂的结构基质常常导致降解效率不稳定。Yu等人[11]发现，在传统堆肥条件下，16天后TCS的降解效率仅为17.0%，三氯生仅为18.2%。Hanc等人[12]还观察到在传统堆肥过程中IBU几乎没有降解，甚至可能造成污染物的积累。这些显著差异凸显了一个关键的知识空白：堆肥系统中控制PPCPs降解的机制仍然知之甚少。解决这一问题对于开发符合农业安全和循环经济目标的污泥增值策略至关重要。

堆肥本质上是由堆肥基质中的微生物群落分泌的胞外酶驱动的过程，有助于降解有机污染物[13]。然而，由于堆肥系统中本土微生物活性不足及相关酶的分泌不足，许多研究人员通常引入外源微生物接种剂或酶添加剂以优化物质转化并提高堆肥的整体质量[13]，[14]。高效微生物（EM）含有多种有益微生物，常用于堆肥过程中。研究表明，EM接种能够增强有机碳的转化，丰富抑制疾病的细菌种类，并增强细菌共现网络的复杂性和协同作用[15]，[16]，[17]。Fan等人[16]证明，在家庭规模的有机废弃物堆肥过程中，添加EM可以增强腐殖化作用，减少脂肪含量73%，并使氮含量增加1.5%。污泥发酵菌（SF）常用于加速污泥堆肥过程，并减少氨和硫化氢等臭气的排放，主要使用的菌种包括Bacillus、Yeast、Saccharomyces cerevisiae和Enterococcus faecalis。Duan等人[18]发现，在堆肥过程中接种Bacillus可使总有机碳（TOC）去除率提高3.1~7.7%，并使腐殖酸含量增加18.2%。Yi等人[19]证明，在堆肥过程的嗜热阶段，用Saccharomyces cerevisiae接种酸化食品废弃物可以显著提高堆肥温度，并同时减少NH₃的排放。

纤维素酶和蛋白酶是堆肥过程中碳和氮转化的关键酶。纤维素酶能高效地分解纤维素为易于利用的小分子化合物，促进微生物代谢，改变微生物群落动态，最终提高堆肥质量[20]。Sun等人[21]报告称，添加纤维素酶后，纤维素的降解率提高了21.4%，硝酸盐氮含量提高了31.3%，总有机碳（TOC）的降解率提高了0.76-10.3%。蛋白酶在堆肥过程中起着不可或缺的作用，它能高效地将蛋白质分解为微生物可利用的氮源，从而推动氮循环。这一过程提高了堆肥效率，减少了氮的损失，并最终通过增加氮含量来改善堆肥质量[22]，[23]。

尽管在堆肥过程中微生物剂和酶添加剂已被广泛研究，并被认为能有效提高堆肥质量和控制气体排放，但它们对PPCPs（尤其是非抗生素类PPCPs，如IBU和TCS）降解的影响仍尚未得到充分探索。此外，还需要进一步研究来评估这些微生物剂和酶试剂在土地应用前对最终堆肥产品环境风险评估的影响。

因此，本研究旨在：（1）探讨酶添加剂和微生物剂对污泥堆肥过程中IBU和TCS降解的影响；（2）评估这些添加剂对微生物群落演替的影响，并识别驱动典型PPCPs降解的关键环境因素和微生物种类；（3）评估最终堆肥产品的生态风险。

节片段

原材料和添加剂

脱水污泥采自河南省新乡市的一座污水处理厂，锯末则来自当地的一家家具制造厂。在堆肥之前，锯末被机械加工成1-2厘米大小的颗粒。本研究中使用的脱水污泥中天然含有目标PPCPs IBU和TCS，未进行任何人工添加。两种底物的主要理化参数见补充材料。

物理和化学指标的变化

如图1a所示，NH₃的排放量在前8天达到峰值。这一现象主要是由于有机氮在高温高pH条件下的快速矿化成NH₄-N，后者容易以NH₃的形式挥发[29]。在五种处理方式中，CK和PR处理在第6天出现了明显的峰值，分别为292.5毫克/天和219.4毫克/天。蛋白酶通过催化蛋白质的水解作用

结论

在实验室规模的模拟堆肥条件下，添加CL和EM微生物接种剂可以提高三氯生和布洛芬的去除率，并降低最终堆肥的筛选级生态风险。这些效果与改善的堆肥微环境和细菌群落结构的变化有关。然而，由于嗜热阶段是外部控制的，且未评估转化中间产物，这些发现仅代表筛选级别的结果

CRediT作者贡献声明

Jishao Jiang：撰写 – 审稿与编辑。Yanbin Huang：撰写 – 原稿撰写。Zhuyu Tang：数据可视化。Kai Liu：数据管理。Shipeng Wang：软件支持。Yunbei Li：数据管理。Jinghua Lv：数据管理。Chunyan Zhang：形式分析。Dong Liu：软件支持。Parag Bhople：撰写 – 审稿与编辑。Ke Cheng：撰写 – 审稿与编辑。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能会影响本文工作的财务利益或个人关系。

致谢

本工作得到了中国国家自然科学基金（项目编号22376054）和河南省高等教育重点科研项目（项目编号26A610004和26A610007）的支持。

Jishao Jiang|Yanbin Huang|Zhuyu Tang|Kai Liu|Shipeng Wang|Yunbei Li|Jinghua Lv|Chunyan Zhang|Dong Liu|Parag Bhople|Ke Cheng

环境学院，黄河与淮河水环境与污染控制重点实验室，教育部；河南环境污染控制重点实验室；河南工程学院环境功能材料与污染控制实验室，新乡453007，中国