微藻 - 细菌污泥增强邻苯二甲酸二甲酯（DMP）生物降解超越吸附作用：代谢途径、微生物响应与适应机制

《Journal of Hazardous Materials》：Microalgal-bacterial sludge enhances dimethyl phthalate (DMP) biodegradation beyond adsorption: Metabolic pathways, microbial responses, and adaptive mechanisms

　　

摘要

邻苯二甲酸酯（PAEs）作为典型的环境内分泌干扰物，因其在 aquatic 环境中的持久性而对生态系统和人类健康构成严重威胁，而传统废水处理工艺去除效率低且存在二次污染风险。本研究构建了微藻-细菌污泥（MABS），系统研究了其对邻苯二甲酸二甲酯（DMP）的去除效率及降解机制。结果表明，与传统活性污泥（AS）相比，DMP-MABS对DMP表现出更强的耐受性和更高的去除效率，去除率达到96.9%，生物降解而非吸附成为主要的去除途径，沉降性能改善（SVI降至51.19 mL/g），生物量增加，并刺激胞外聚合物（EPS，高达40.00 mg/g VSS）的分泌以形成抗毒性保护屏障。微生物分析显示，假单胞菌门（Pseudomonadota）在微生物群落中占主导地位，并与代谢功能密切相关，而基于MAG的宏基因组分箱鉴定出伯克霍尔德菌目（Burkholderiales）是DMP相关功能基因在订单级别的最大贡献者。整合EPS表征与宏基因组证据，我们进一步提出了一个EPS介导的微藻-细菌互作模型，其中LB-EPS在团聚体界面富集DMP，TB-EPS稳定好氧-厌氧微区，而微藻来源的氧气和碳源、信号传导、趋化作用、生物膜形成及维生素相关功能共同支持细菌对DMP的分解代谢。定性鉴定的中间产物与宏基因组注释共同提出了一个推测性的DMP生物降解途径，涉及脱酯生成单甲基邻苯二甲酸酯和邻苯二甲酸（lip、gnl、pgl等），随后经有氧双加氧酶催化或厌氧脱羧生成原儿茶酸（pht3、pht4、pht5等）或苯甲酸（benA-xylX和benB-xylY），最终进入三羧酸循环（pcaG、pcaF、ligK、and galD等）。该技术集高效降解、节能与资源回收潜力于一体，为污水处理厂应对新兴污染物提供了理论与技术基础。

引言

邻苯二甲酸酯（PAEs）为无色、黏稠液体，具有低溶解度和低挥发性，被广泛用作塑料制造与加工行业中的增塑剂 [1], [2]。由于PAEs作为内分泌干扰物具有危害特性，可诱发致畸性、致突变性、致癌性和生殖毒性 [3], [4], [5]，美国环境保护署已将邻苯二甲酸二甲酯（DMP）列为典型优先污染物。DMP在天然水体环境中通常以μg/L级别存在，但在工业废水和填埋场渗滤液等特殊废水流中可达mg/L级别 [6]。DMP可被吸附并随后进入食物链，从而对生态系统和人类健康构成潜在威胁 [7], [8], [9]。中国持续加强DMP在环境中的监管，凸显了其重要性与管理的紧迫性（[10]; S. [11]）。鉴于此，本研究选择了水溶性最优、水解半衰期长达三年的DMP作为研究对象。

目前，从废水中去除DMP的方法众多，例如吸附、高级氧化技术和高效菌株等。然而，这些方法要么成本效益较低，要么仅适用于特定场景 [12], [13], [14]。在生物废水处理领域，活性污泥工艺（ASP）作为一种经济的方法仍被广泛采用。然而，传统污水处理厂（WWTPs）中的生物工艺并非专门针对新兴污染物设计，因此DMP的转化与降解效率较低，甚至可能引发负去除现象，即出水中PAEs浓度高于进水，导致PAEs进入水体环境 [15], [16]。这也表明传统ASP缺乏处理DMP污染的优势能力。

鉴于微藻与细菌之间天然存在的共生关系，近年来工程化共生系统被频繁构建用于废水处理，而该方法在废水处理系统中去除新兴污染物的应用是一个热议话题。例如，微藻-细菌互惠共生作用可驱动氧四环素 [17]、邻苯二甲酸二丁酯（Y. [18]）和布洛芬 [19] 的有效降解。微藻的光合作用可为细菌提供氧气、碳水化合物和维生素，而细菌可通过代谢和矿化作用为藻类提供二氧化碳和营养元素 [20]。这种耦合的氧气产生与消耗，连同微生物团聚体内部的质量传递限制，可能生成空间异质性的好氧与厌氧微环境，即下文所称的好氧-厌氧微区。此外，微藻对有机污染物的吸附与富集不仅促进了细菌生长，还增强了细菌与污染物之间的接触效率 [21], [22]。因此，微藻-细菌污泥（MABS）系统在PAEs污染废水处理方面引起了越来越多的关注。然而，其在DMP去除方面的应用仍有限，且其潜在机制尚不清楚。因此，本研究提出将ASP与共生MABS系统相结合，以发挥两者的优势。本研究旨在为开发经济高效、高效去除DMP的工艺奠定理论基础，从而推进MABS技术的实际应用，并为生物污水处理厂中新兴污染物的去除提供有价值的见解。首先，考察了MABS的形态和特征，并评估了其在合成废水中去除DMP的反应器性能。随后，研究了吸附与生物降解比例及微生物响应的动态变化，并对生物降解途径进行了详细讨论。此外，通过宏基因组和MAG分箱分析鉴定了功能基因和关键微生物。最后，通过整合形态学、理化、宏基因组和功能基因证据，提出了一个EPS介导的微藻-细菌互作模型。综上，本研究为高效去除PAEs污染水体提供了新颖见解，并为开发用于新兴污染物控制的低能耗、韧性强及可资源回收生物技术提供了指导。

章节片段

分析方法

COD、NH₄⁺-N、PO₄^3--P、叶绿素a（chl-a）、叶绿素b（chl-b）、MLSS、MLVSS、SVI5和SVI30按照标准方法测定 [23]。污泥的形态使用光学显微镜（OLYMPUS BX53）和扫描电子显微镜（Gemini 300, ZEISS）进行观察。胞外聚合物（EPS）按照先前报道的方法提取 [24]。最终获得了松散结合EPS（LB-EPS）和紧密结合EPS（TB-EPS）。所提取的LB-EPS和

形态变化与特征

通过SEM观察了两种污泥在第0天和第75天的形态和结构。在反应初期，如图1a-c所示，R1中的AS呈现出松散、网状结构。经75天反应后，AS表面致密，主要由球状细菌通过黏膜状丝状物质连接而成。在R2中，如图1d-f所示，MABS在第0天相对松散且多孔，但在第75天其边界非常光滑，呈黏膜状

结论

本研究系统研究了微藻-细菌污泥（MABS）对邻苯二甲酸二甲酯（DMP）去除的降解效率与机制。结果表明，DMP的引入显著增强了MABS的沉降性能和生物量积累，同时刺激EPS的分泌以形成抗毒性保护屏障。与传统AS相比，MABS表现出更优的DMP去除速率，在稳定阶段达到96.90%。该

CRediT作者贡献声明

刘世瑞（Shirui Liu）： 撰写——审阅与编辑，撰写——初稿，可视化，软件，方法学，调查，形式分析，概念化。尹志宏（Zhihong Yin）： 撰写——审阅与编辑，验证，指导，数据管理，概念化。周少奇（Shaoqi Zhou）： 撰写——审阅与编辑，资源，概念化。Tsang Yiu Fai（曾耀发）： 撰写——审阅与编辑，资源，概念化。姬云（Yun Ji）： 撰写——审阅与编辑，可视化，软件，方法学，调查，

利益冲突声明

作者声明，他们不存在任何已知的可能影响本文所述工作的竞争性经济利益或个人关系。

刘世瑞|姬云|胡霞|屈申宝|彭晓琴|尹志宏|周少奇|曾耀发

贵州大学资源与环境工程学院；贵州喀斯特环境生态系统观测与研究中心；贵州省新兴污染物防控重点实验室；喀斯特地质资源与环境教育部重点实验室，贵州贵阳 550025，中国