竞争性电子受体共存下由污泥来源内源有机物驱动的溴代阻燃剂自我维持微生物还原脱溴

《Journal of Hazardous Materials》：Self-Sustaining Microbial Reductive Debromination of Brominated Flame Retardants Driven by Sewage Sludge-Derived Endogenous Organics Amid Competing Electron Acceptors

　　

摘要

多溴二苯醚（PBDEs）和四溴双酚A（TBBPA）是废水和污泥中普遍存在的溴代阻燃剂，然而在其与共存电子受体（如硝酸盐和硫酸盐）共存条件下，微生物还原脱溴反应的可持续性和稳健性仍缺乏深入理解。本研究揭示，污泥来源的源内有机质无需外加有机物即可维持TBBPA和PBDEs的高效微生物还原脱溴。30天内，超过99%的TBBPA被转化为双酚A，而PBDEs在TBBPA耗竭后依次发生脱溴，120天后产生较低溴化程度的同系物（33.9%）和二苯醚（17.9%）。出乎意料的是，添加外源有机碳（甲酸、乙酸、丙酮酸和乳酸）并未增强脱溴反应，反而刺激了产甲烷作用，表明电子流向竞争性还原途径转移。在0.5-10 mM硝酸盐和硫酸盐存在下，还原脱溴仍然高度活跃，两种污染物的脱溴程度与对照组相当，尽管高浓度硝酸盐和硫酸盐使TBBPA脱溴速率降低了42.8-67.4%。值得注意的是，即使在硫酸盐还原产生的硫化氢浓度超过6 mM时，活跃的脱溴仍持续进行，揭示了污泥关联的有机卤化物呼吸细菌（OHRB）对硫化氢的异常耐受性。Dehalococcoides和Dehalobacter被鉴定为参与脱溴的专性OHRB，其中Dehalococcoides表现出对硝酸盐、硫酸盐和硫化氢相关胁迫的高度耐受性。此外，尽管经历氧化还原扰动，污泥微生物组仍表现出较强的弹性和代谢整合性。总之，这些发现揭示了污泥可作为自维持、强韧的还原脱溴平台，为废水、污泥及其他厌氧环境中溴代污染物的修复提供了低成本策略。

引言

溴代阻燃剂，如多溴二苯醚（PBDEs）和四溴双酚A（TBBPA），被广泛应用于消费品（如家具、塑料聚合物和印刷电路板）以提高耐火性能[54]。由于大多数溴代阻燃剂未与消费品形成化学键结合，这些化合物可从废弃产品和废弃物中释放进入环境，导致其在全球各类生态系统中广泛分布[18]，[32]，[37]，[49]，[7]。污水处理厂（WWTPs）作为旨在应对环境污染的高度工程化系统，已成为包括溴代阻燃剂在内的人为污染物的重要汇和排放源[38]，[54]。PBDEs和TBBPA的环境污染对人类社会和野生动物构成严重风险[27]，[63]，尤其是其内分泌干扰效应和生物累积特性[20]，[44]。

尽管PBDEs和TBBPA具有环境持久性，但据报道某些微生物可转化并衰减这些化合物。其中一组重要微生物为有机卤化物呼吸细菌（OHRB），包括Dehalococcoides、Dehalogenimonas和Dehalobacter，它们可在厌氧条件下通过微生物还原脱卤反应去除PBDEs和TBBPA中的溴取代基[14]，[36]，[51]，[53]，[62]。产生的低溴化产物通常更易被好氧微生物进一步矿化[24]，[26]，[58]。因此，微生物还原脱卤代表了PBDEs和TBBPA环境衰减中的关键步骤。然而，由于电子供体和营养元素供应不足，OHRB介导的自然衰减在污染场地中通常较为缓慢[19]，[47]。通过添加电子供体底物（如乳酸和植物油）进行生物强化已广泛应用于加速氯化溶剂污染场地的生物修复[19]，[21]，[31]，[47]。然而，电子供体添加在刺激微生物还原脱卤方面的有效性似乎因环境基质和目标污染物而异。例如，添加乙酸、乳酸和丙酮酸明显增强了淹水土壤中五氯酚的去除[64]，而在红树林沉积物中对BDE-47脱溴影响微乎其微[33]。更有争议的是，据报道在某些污染沉积物中电子供体添加会抑制三氯乙烯（PCE）和PBDEs的微生物还原脱卤[17]，[34]。然而，在污水处理厂污泥中，电子供体添加究竟是促进还是抑制PBDEs和TBBPA脱溴仍不清楚。这一知识的缺失可能阻碍污水处理厂废水和污泥处理工艺优化，以增强溴代阻燃剂的衰减。

共存替代电子受体（如硝酸盐和硫酸盐）可能与微生物还原脱卤竞争电子，这代表了限制有机卤化物污染物衰减的另一个重要因素[45]。硫酸盐和硝酸盐还原对氯化乙烯、五氯酚和多氯联苯的微生物还原脱卤的抑制效应已被频繁报道，可证明这一点[11]，[30]，[4]，[56]，[57]，[60]。在某些情况下，低硫酸盐浓度导致的抑制被归因于电子供体竞争，可通过补充额外电子供体加以缓解[56]。相比之下，硫酸盐还原过程中产生的浓度为0.6至5 mM的硫化氢对Dehalococcoides细胞产生毒性作用，严重阻碍富集脱氯共生体中氯化乙烯的脱氯反应，且这种抑制无法通过电子供体添加来缓解[30]，[4]。硝酸盐和硫酸盐在废水和污泥处理系统中普遍存在，但其对污泥中原生OHRB介导的PBDEs和TBBPA微生物还原脱溴的影响仍知之甚少。

因此，本研究首先评估污泥来源的源内有机质能否在不添加外源电子供体的情况下独立维持PBDEs和TBBPA的微生物还原脱溴。随后，系统研究了外源电子供体对脱溴效率、产甲烷活性以及微生物电子流向竞争的影响。此外，评估了硝酸盐和硫酸盐作为竞争性电子受体对由污泥源内有机碳维持的脱溴反应的影响。进一步分析了参与脱溴的潜在OHRB对电子受体添加的响应。最后，阐明了脱卤共生体相关的微生物群落生态学、多样性和群落构建的变化，以揭示复杂厌氧条件下支撑稳健脱溴的生态机制。

章节摘要

污泥微宇宙的建立

污泥采自污水处理厂曝气池，冰上运输至实验室。污泥经离心浓缩（12000 × g，15 min，4 ℃）后接种于60 mL血清瓶中，内含40 mL厌氧无机盐培养基，最终污泥浓度为约4 g/L干重[43]。添加硫化钠（0.5 mM）作为还原剂以创造厌氧条件，血清瓶用丁基橡胶塞密封。TBBPA（7.35 μM）

污泥来源的源内有机质维持微生物还原脱溴

建立污泥微宇宙，不添加外源电子供体，以评估从污泥释放的源内有机质能否维持共存PBDEs和TBBPA的微生物还原脱溴。仅3天的短暂滞后期后即观察到TBBPA快速脱溴，TBBPA在30天内通过三溴、二溴和单溴中间体依次转化为双酚A（BPA）（图1A）。相比之下，PBDE脱溴

结论

污泥来源的源内有机质在不补充外源电子供体的情况下维持了TBBPA和PBDEs的高效微生物还原脱溴，证明污泥可同时作为微生物接种物、源内电子供体储库和自维持生物修复基质。尽管硝酸盐和硫酸盐竞争还原当量并使TBBPA脱溴速率部分降低，但有机卤化物呼吸仍然活跃

CRediT作者贡献声明

Yifan Zhang（张一帆）: 论文撰写 – 初稿，方法论，形式化分析。Yifan Wang（王一凡）: 论文撰写 – 初稿，调查研究，数据整理。Feilong Gao（高飞龙）: 论文撰写 – 审阅与编辑，调查研究。Guofang Xu（徐国芳）: 论文撰写 – 审阅与编辑，论文撰写 – 初稿，指导，调查研究，资金获取，概念设计。Jianzhong He（何建中）: 论文撰写 – 审阅与编辑，指导，资金获取。Yan He（何艳）: 论文撰写 – 审阅与编辑。Jinting Liu（刘静婷）: 调查研究，数据整理。

利益冲突声明

作者声明不存在已知的可能影响本文所报告工作的竞争性经济利益或个人关系。

致谢

本工作得到中国国家自然科学基金重点项目（项目编号42595620）、浙江大学土壤污染控制与安全重点实验室开放项目（项目编号SPCS-2025-02002）和新加坡教育部Tier 2学术科研基金（项目编号MOE00003301）的支持。

意义声明

溴代阻燃剂，尤其是多溴二苯醚（PBDEs）和四溴双酚A（TBBPA），具有毒性、生物累积性

Yifan Wang（王一凡）| Yifan Zhang（张一帆）| Feilong Gao（高飞龙）| Jinting Liu（刘静婷）| Yan He（何艳）| Jianzhong He（何建中）| Guofang Xu（徐国芳）

浙江大学土壤污染控制与安全重点实验室，中国杭州 310058