謝文驍 來超超 黃斌 潘學(xué)軍

摘要：為提高污水中17β-雌二醇（E2）的去除效率，篩選洱海沉積物中E2的優(yōu)勢降解微生物，并在不同環(huán)境條件下進(jìn)行生物吸附和生物降解E2過程的研究。結(jié)果表明：大腸桿菌是E2降解的優(yōu)勢菌種，其對E2的生物去除是快速吸附及持續(xù)降解的共同作用過程。經(jīng)大腸桿菌降解3 d后，1.00 mg/L E2去除率約為70.42%。生物吸附主要受pH值、生物量的限制，在弱堿性（pH=8）環(huán)境下吸附效果最佳。在適宜的濃度下，電子供體、H 2 O 2、腐殖質(zhì)和重金屬可以有效促進(jìn)E2的生物降解。當(dāng)葡萄糖、甲酸鈉、H 2 O 2、腐殖質(zhì)、Zn 2+和Cu 2+濃度分別為40.0 mg/L、10.0 mg/L、3.0 mmol/L、2.0～15.0 mg/L、0.5 mg/L及0.5 mg/L時(shí)，E2的生物降解率提高近12.41%～57.47%。由此可見，洱海沉積物中篩選的大腸桿菌具有較好的E2去除能力，但其受眾多環(huán)境因素的影響，通過調(diào)節(jié)合適的環(huán)境條件可極大程度地促進(jìn)E2的生物去除效率。

關(guān)鍵詞：17β-雌二醇；大腸桿菌；生物吸附；生物降解；環(huán)境因素

中圖分類號：X172；X524 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號：2096-6717（2022）06-0201-08

Screening of 17β-estradiol degradation microorganisms and the influence of environmental factors

XIE Wenxiao，LAI Chaochao，HUANG Bin，PAN Xuejun

（Faculty of Environmental Science and Engineering，Kunming University of Science and Technology，Kunming650500，P.R.China）

Abstract：In order to improve the removal efficiency of 17β-estradiol（E2）in wastewater，the predominant microorganisms that degrade E2 in the Erhai Lake sediment were screened，and the biosorption and biodegradation of E2 in different environment were studied in this study.The results showed that Escherichia coli（E.coli）is the dominant strain of E2 degradation，and its biological removal process of E2 is acombined process of rapid adsorption and continuous degradation.The removal rate of E2 with an initial concentration of1.00 mg/L was about 70.42%after being degraded by E.coli for 3 days.Biosorption is mainly limited by pH value and biomass，and the highest adsorption efficiency was obtained in aweakly alkaline environment（pH=8）.Electron donors，hydrogen peroxide，humus and heavy metals can effectively promote the biodegradation of E2 at appropriate concentrations.When the concentrations of glucose，sodium formate，H 2 O 2，humus，Zn 2+and Cu 2+was 40 mg/L，10 mg/L，3 mmol/L，2-15 mg/L，0.5 mg/L and 0.5 mg/L，respectively，the biodegradation efficiency of E2 increased by 12.41%-57.47%.Draw aconclusion from the above results，the E.coli screened from the Erhai Lake sediment exhibits excellent E2 removal ability，but this process is affected by many environmental factors，and the removal efficiency of E2 can be greatly promoted by adjusting appropriate environmental conditions.

Keywords：17β-estradiol；Escherichia coli；biosorption；biodegradation；environmental factor

類固醇雌激素（Steroid estrogens，SEs）對生態(tài)環(huán)境與人體健康的危害廣受關(guān)注。17β-雌二醇（E2）是一種典型的SEs，僅在1 ng/L環(huán)境濃度時(shí)即可使水生生物產(chǎn)生慢性毒性，使其產(chǎn)生畸變或致癌[1]。課題組前期對昆明市8家城市污水處理廠研究時(shí)發(fā)現(xiàn)，污水處理廠中E2的去除率僅為30%～40%，日環(huán)境負(fù)荷量高達(dá)7.8 g/d，城市生活污水已成為水環(huán)境中E2的重要來源之一[2]。而E2的環(huán)境累積對人類的危害日漸顯現(xiàn)，最近有研究報(bào)道[1]，在飲用水及蔬菜水果中均檢出了E2，且最大檢出濃度分別達(dá)到1.7、2.2 μg/L。因此，急需尋求高效去除污水處理廠中E2的方法，而提高生化法對E2的處理效率受到了廣泛關(guān)注[3]。

大多傳統(tǒng)的生物法與物理化學(xué)法污水處理技術(shù)可去除一部分SEs[4-5]，其中，光催化等高級氧化法處理水中的SEs已有研究[6]。然而，這些方法都存在高能耗和高成本的缺陷，因而，研究人員正探尋更有效且經(jīng)濟(jì)的方法來控制污水中的SEs。SEs在水環(huán)境中的半衰期從幾周到幾年不等[7]。相關(guān)研究表明，在自然環(huán)境中，微生物和光化學(xué)作用均能有效削減SEs濃度[8-9]，但吸附在水中沉積物上的SEs難以接收光照，表明生物降解在SEs的自然削減中產(chǎn)生了關(guān)鍵作用。同時(shí)，微生物去除污染物也是一種廉價(jià)且環(huán)境友好的技術(shù)[10]。因此，研究分析微生物降解SEs的過程及關(guān)鍵影響因素，對污水中SEs的去除尤為重要。

微生物去除污染物有兩種方法，即生物吸附和生物降解[11]。生物吸附是一種利用微生物細(xì)胞在水生環(huán)境中的一系列物理化學(xué)作用吸收污染物的過程[12]。而生物降解是指水中污染物被微生物轉(zhuǎn)化成中間代謝產(chǎn)物，并最終被礦化的過程。然而，盡管之前一些文獻(xiàn)中已經(jīng)報(bào)道了SEs的生物轉(zhuǎn)化，但生物吸附及生物降解過程對SEs去除的貢獻(xiàn)尚不清楚，復(fù)雜的環(huán)境因素對去除SEs的影響也尚不明確，包括碳源、pH值、腐殖質(zhì)（HS）、重金屬和溶解氧等。

為了提高SEs的微生物去除效率，筆者選擇類固醇雌激素化合物E2作為目標(biāo)污染物，并從洱海底泥中提取富集E2降解微生物進(jìn)行生物吸附和生物降解實(shí)驗(yàn)，以探究自然過程中微生物對E2的生物吸附和生物降解過程及不同環(huán)境因素對該過程的影響，并分析微生物高效降解E2的最佳環(huán)境條件。

1 材料與方法

1.1 材料準(zhǔn)備

E2和標(biāo)準(zhǔn)品腐殖酸（HA）購買自Sigma-Aldrich公司。沉積物來自中國云南省大理市洱海，干燥后使用4.0 mm篩子篩分，用去離子水沖洗。采用國際腐殖酸物質(zhì)學(xué)會的堿溶酸析法提取湖泊沉積物腐殖酸（LHA）和富里酸（LFA）[13]。最后，將制備的LHA和LFA儲備溶液儲存在聚乙烯容器中，在黑暗中以4℃保存，并在3周內(nèi)使用。如未另外說明，所有其他試劑均為分析純。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

1.2.1 E2降解微生物Y2的分離與鑒定 稱取100 g洱海底泥樣品與150 mL無機(jī)鹽培養(yǎng)基（MSM）混合置于500 mL錐形瓶中，充分振蕩20min后取上清液。其中，MSM成分為600 mg/L K 2 HPO 4·12H 2 O、800 mg/L KH 2 PO 4、1000 mg/L NaCl、800 mg/L NH 4 NO 3、200 mg/L MgSO 4、50mg/L CaCl 2·2H 2 O和10 mg/L酵母提取物[14]。取5mL上清液到擴(kuò)大培養(yǎng)基中（含有10 g/L胰蛋白胨、5 g/L酵母提取物和10 g/L NaCl），在30℃的旋轉(zhuǎn)振蕩器上以160 r/min的速度培養(yǎng)24 h，以獲得微生物懸浮液。將1.0 mL微生物懸浮液移至含1.00mg/L E2的250.0 mL MSM中，培養(yǎng)至E2濃度穩(wěn)定、不被降解為止。E2濃度用高效液相色譜儀（HPLC）檢測。將上述過程循環(huán)7次，以獲得E2降解菌。此后，將1.0 mL微生物懸浮液涂抹至瓊脂平板，并在30℃下培養(yǎng)12 h。用新瓊脂將發(fā)育良好的菌落劃線3次后，對培養(yǎng)的菌株進(jìn)行微生物種類鑒別。

1.2.2 生物吸附實(shí)驗(yàn) 為闡明E2降解微生物對E2的吸附過程，進(jìn)行了吸附平衡實(shí)驗(yàn)。生物量為1.00 g/L，E2濃度為1.00 mg/L，吸附時(shí)間為5 h。生物吸附在30.0 mL MSM中進(jìn)行，并在30℃的旋轉(zhuǎn)搖床上以160 r/min培養(yǎng)。在溶液中加入濃度為650 mg/L的疊氮化鈉以抑制微生物活性。此后，取1.0 mL樣品于離心管中，以12000 r/min的速度離心10.0 min。離心后取樣品上清液，使用高效液相色譜儀對E2進(jìn)行分析。如無額外說明，所有吸附實(shí)驗(yàn)均在此條件下進(jìn)行。

等溫吸附實(shí)驗(yàn)使用1.00 g/L的生物量吸附不同濃度的E2溶液（0.25、0.50、0.75、1.00、1.50、1.75、2.00 mg/L）。E2吸附在微生物上，吸附量G（mg/g）可用式（1）計(jì)算。

式中：C 0為E2的初始濃度，mg/L；C e為E2的平衡濃度，mg/L；C b為微生物濃度，g/L。

為評估pH值、生物量對E2生物吸附的影響。分別對初始pH值范圍為4.0～10.0和初始生物量為0.08～1.20 g/L的樣品進(jìn)行吸附實(shí)驗(yàn)。

1.2.3 生物降解實(shí)驗(yàn) 為了評估碳源、H 2 O 2、腐殖質(zhì)及重金屬對E2生物降解的影響，將1.00 mg/L E2和1.00 g/L微生物加入30 mL MSM的燒瓶中后，在避光條件下以160 r/min的轉(zhuǎn)速在30℃的旋轉(zhuǎn)搖床上培養(yǎng)。如無額外說明，所有生物降解實(shí)驗(yàn)均在此條件下進(jìn)行。實(shí)驗(yàn)中，所加碳源為葡萄糖與甲酸鈉，濃度為0.0、5.0、10.0、15.0、20.0、25.0、30.0、35.0、40.0、45.0、50.0 mg/L。H 2 O 2的濃度為0.0、1.0、2.0、3.0、4.0、5.0、8.0、10.0、15.0、20.0mmol/L，HA濃度梯度設(shè)為從0.0到50.0 mg/L不等。

為確定重金屬（Zn 2+、Cu 2+、Pb 2+和Cd 2+）存在條件對微生物去除E2的影響，選擇初始濃度分別為0.5、1.5、3.0、5.0、8.0、10.0、12.0、15.0 mg/L的重金屬與1.00 mg/L E2培養(yǎng)72 h，以闡明重金屬對E2生物降解的影響。

所有實(shí)驗(yàn)在相同條件下進(jìn)行，試劑及容器均在高壓滅菌鍋中以121℃滅菌30 min后使用。所有操作重復(fù)3次。

1.2.4 分析方法 采用配備Waters symmetry-C18反相柱（5 μm，4.6 mm×250 mm）和熒光檢測器的高效液相色譜儀（Agilent Technologies1260）對E2進(jìn)行定量分析。E2以1.00 mL/min的速度用流動(dòng)相洗脫，在283 nm/345 nm的激發(fā)/發(fā)射波長下檢測。流動(dòng)相由含有0.1%三氟乙酸的乙腈和超純水以60：40的比例混合而成。E2的檢測限值為0.01mg/L，所有樣品的相對標(biāo)準(zhǔn)偏差在5%以內(nèi)。吸附數(shù)據(jù)使用SigmaPlot 12.5進(jìn)行擬合。

2 結(jié)果討論

2.1 E2降解微生物Y2的鑒定

在對底泥樣本中E2降解微生物Y2進(jìn)行富集篩選后，對培養(yǎng)的菌株進(jìn)行微生物種類鑒別，鑒別結(jié)果如圖1所示，Y2為大腸桿菌。因此，以下實(shí)驗(yàn)均以從底泥樣本中富集的大腸桿菌為降解菌種。

2.2 生物吸附和生物降解過程的鑒別為明確生物吸附和生物降解過程對水溶液中E2去除率的貢獻(xiàn)，首先，在30℃下進(jìn)行了1.00 g/L大腸桿菌對1.00 mg/L E2的生物吸附實(shí)驗(yàn)，結(jié)果如圖2所示。在最初15 min內(nèi)，大腸桿菌吸附E2的速率較快，已達(dá)到吸附平衡總量的75%，隨后吸附速率變緩，并在60 min時(shí)達(dá)到吸附平衡，在接下來的4h內(nèi)，E2的濃度幾乎沒有變化。大腸桿菌對E2最高吸附量為0.20 mg/g。因此，生物吸附是污水中E2去除的重要過程之一，對該過程的研究具有重要的工程指導(dǎo)意義。

為了更好理解大腸桿菌對E2的生物吸附作用，在30℃下進(jìn)行等溫吸附實(shí)驗(yàn)。并根據(jù)E2兩種不同的吸附模型，分別使用Freundlich和Langmuir等溫線吸附模型進(jìn)行擬合，結(jié)果見圖3，具體參數(shù)見表1。

這兩種吸附等溫線模型都較好地?cái)M合了生物吸附E2過程。因此，研究中的生物吸附過程主要是細(xì)胞表面與E2之間的單層吸附過程[15-16]。在后續(xù)實(shí)驗(yàn)中，使用Langmuir等溫方程計(jì)算不同時(shí)間細(xì)胞上的吸附量。

在72 h的1.00 g/L大腸桿菌對1.00 mg/L E2生物去除實(shí)驗(yàn)中，生物降解率為生物去除率減去生物吸附率，結(jié)果如圖4所示，表明在初期8 h內(nèi)E2的去除主要?dú)w因于生物吸附作用。這可能是由于初期大腸桿菌處于適應(yīng)期，生物降解速率較慢。隨后生物降速率變快，E2濃度持續(xù)下降。72 h后生物降解率為63.74%，E2的剩余濃度約為0.30 mg/L。因此，生物對E2的去除是初期的快速生物吸附和生物降解的共同作用過程[17]。

2.3 pH值與生物量對E2生物吸附的影響

不同pH值和生物量對1.00 mg/L E2的生物吸附率如圖5所示。圖5（a）中，在酸性條件下，1.00g/L大腸桿菌的生物吸附量隨著pH值的增大逐漸從0.05 mg升高至0.12 mg。當(dāng)pH值為8時(shí)，吸附效率突增至0.28 mg，pH值繼續(xù)升高，吸附效率又急劇下降至0.06 mg。這是由于在酸性條件下高濃度的質(zhì)子會與E2形成競爭吸附，且質(zhì)子會與細(xì)胞表面的官能團(tuán)結(jié)合成鍵，從而降低生物吸附率[18]。而pH值過高時(shí)，溶液中陰離子可能會與E2絡(luò)合，導(dǎo)致生物吸附效率下降。因此，將pH值調(diào)整為8更有利于微生物對E2的吸附，進(jìn)而促進(jìn)微生物降解。在圖5（b）中，生物量與E2的生物吸附效率呈明顯正相關(guān)。生物量在0.08～1.20 g/L時(shí)，1 h內(nèi)E2吸附效率從0.08 mg增加至0.21 mg。因此，增加生物量可以有效提高E2的生物吸附率。

2.4 E2的生物降解

2.4.1 碳源對E2生物降解的影響 持久性有機(jī)污染物流入水生環(huán)境，可抑制微生物的生長[19]。微生物需要一定時(shí)間去適應(yīng)被污染的環(huán)境。然而，營養(yǎng)物質(zhì)和SEs會形成共代謝機(jī)制來影響水環(huán)境中SEs的生物降解[20-21]。為加速E2的生物降解，研究了不同類型及濃度的碳源對E2生物降解的影響。由于培養(yǎng)72 h后殘留E2濃度太低，無法區(qū)分有機(jī)碳源對生物降解的影響，因而選擇48 h作為培養(yǎng)周期，結(jié)果見圖6。在碳源的濃度范圍為0.0～50.0 mg/L時(shí)，生物降解率呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢。其中，當(dāng)達(dá)到10.0 mg/L甲酸鈉和40.0 mg/L葡萄糖時(shí)，對E2的微生物降解促進(jìn)效果最明顯，分別提升26.31%和57.47%。主要是由于低濃度外界碳源的增加使微生物活性增加，加速了對E2的代謝過程。但是，降解率并不會隨著碳源的增加而繼續(xù)增大?？赡艿脑蛑皇钱?dāng)存在高濃度的外源有機(jī)碳時(shí)，微生物將主要代謝有機(jī)碳源，而減少了對污染物的代謝降解活動(dòng)。因此，目標(biāo)污染物的降解變得難以進(jìn)行[22]。與甲酸鈉相比，葡萄糖作為碳源更有利于微生物降解E2，降解率最高達(dá)到90.50%，這是因?yàn)榇竽c桿菌可以直接利用葡萄糖，而大腸桿菌需要適應(yīng)甲酸鈉后才能依靠其生長[23]。

2.4.2 H 2 O 2對E2生物降解的影響 已有研究表明[24]，溶解氧對水生環(huán)境中SEs的微生物代謝過程非常重要。但精確定量溶解氧相對困難，為了控制溶解氧濃度梯度，選用H 2 O 2作為補(bǔ)充氧源進(jìn)行48 h實(shí)驗(yàn)[25]，評估H 2 O 2對E2降解可能造成的影響，結(jié)果見圖7。結(jié)果表明，0.0～20.0 mmol/L H 2 O 2僅可氧化約0.50%～6.60%E2，而0.0～3.0 mmol/L H 2 O 2與大腸桿菌存在協(xié)同作用，當(dāng)達(dá)到3.0 mmol/L H 2 O 2時(shí)，大腸桿菌和H 2 O 2對E2的協(xié)同去除率達(dá)到最大值49.44%。當(dāng)更高濃度的H 2 O 2和大腸桿菌同時(shí)存在時(shí)會對生物降解產(chǎn)生明顯抑制作用。當(dāng)H 2 O 2濃度增加到15.0 mmol/L時(shí)，E2的降解率僅為1.97%。添加低濃度H 2 O 2后，由于溶解氧的增加提高了微生物的活性，從而獲得更好的生物性能與更高的E2去除率。但H 2 O 2濃度過高時(shí)，對細(xì)菌的強(qiáng)氧化作用破壞了細(xì)胞內(nèi)的酶，從而抑制了生物活性，導(dǎo)致E2的生物降解率降低[26-27]。

2.4.3 腐殖質(zhì)對E2生物降解的影響 E2具有穩(wěn)定的芳香結(jié)構(gòu)，表現(xiàn)出較強(qiáng)的疏水性和極低的水溶性，很難被生物體利用，從而限制了生物降解技術(shù)的應(yīng)用[28]。而腐殖質(zhì)可能作為一種天然表面活性劑促進(jìn)E2的生物降解[29-30]。因此，研究了72 h內(nèi)不同濃度腐殖質(zhì)對E2生物降解率的影響，見圖8。結(jié)果表明，當(dāng)LFA濃度在0.0～10.0 mg/L時(shí)，生物去除率最高提升了7.53%，總?cè)コ蕿?7.95%。而相同濃度下LHA對E2生物去除的促進(jìn)效果更明顯，最高提升21.91%，總?cè)コ蔬_(dá)到92.33%。標(biāo)準(zhǔn)品HA效果與其相似。主要存在以下原因：1）腐殖質(zhì)可以調(diào)節(jié)細(xì)胞表面的疏水性，增強(qiáng)E2降解菌株的親和力，使生物吸附和代謝得到改善；2）由于腐殖質(zhì)中具有的親水性和親油性基團(tuán)能在水溶液中形成聚合物膠團(tuán)，使E2溶解在其中，增加其在水相中的溶解度，從而提高多環(huán)芳烴的生物可利用性[29]。不同腐殖質(zhì)在0.0～10.0 mg/L濃度范圍內(nèi)對E2生物降解的促進(jìn)作用排序如下：LHA＞HA＞LFA。這是由于它們各自的芳香結(jié)構(gòu)不同，在其他多環(huán)芳烴降解研究中也發(fā)現(xiàn)了類似的結(jié)果[31]。而當(dāng)腐殖質(zhì)濃度的繼續(xù)增加時(shí)，E2的生物降解率迅速下降，這主要由兩方面導(dǎo)致：一方面，當(dāng)更高濃度的腐殖質(zhì)與MSM共存時(shí)，它們將與E2吸附結(jié)合形成包裹態(tài)物質(zhì)，以抑制細(xì)胞和E2之間的直接接觸；另一方面，高濃度的腐殖質(zhì)會破壞各種生物酶，從而導(dǎo)致E2的生物降解率降低[25]。因此，與低濃度的腐殖質(zhì)相比，高濃度的腐殖質(zhì)對E2的去除具有抑制作用。

2.4.4 重金屬對E2生物降解的影響 微量元素是維持微生物生長發(fā)育所必需的，可刺激微生物活動(dòng)。但當(dāng)單一微量元素過量時(shí)，對微生物具有很高毒性。研究了72 h內(nèi)不同重金屬對生物降解率的影響，見圖9。由于污水中重金屬含量相對自然水體較高，因此，實(shí)驗(yàn)濃度采用了高于自然水體的濃度水平。結(jié)果表明，較低濃度的Zn 2+和Cu 2+對E2降解有促進(jìn)作用。因?yàn)閆n 2+和Cu 2+是許多生物學(xué)過程和酶活性過程的重要輔因子，對大腸桿菌的生長活性和穩(wěn)定性至關(guān)重要[32]。但是，高濃度的Zn 2+能顯著抑制E2的微生物降解。這是由于高濃度的Zn 2+能抑制微生物的代謝過程，并形成與E2的競爭性生物吸附，從而導(dǎo)致E2的生物吸附率及降解率下降[33]。而且高濃度的Zn 2+比Cu 2+有更明顯的抑制作用，這與之前的研究有相似的趨勢[34]。相比之下，即使Pb 2+和Cd 2+的濃度很低也會強(qiáng)烈抑制E2的微生物降解。這是因?yàn)樗鼈儗λ鷦?dòng)物、植物及微生物有較大的毒性，會抑制微生物的生長和酶的活性，從而降低E2的生物降解率[35-36]。不僅如此，除了抑制代謝外，Pb 2+和Cd 2+的同步生物吸附同樣會與E2形成競爭關(guān)系，使得E2的生物去除率降低[33]。

3 結(jié)論

1）大腸桿菌是洱海底泥中的E2降解優(yōu)勢菌種，E2的生物去除過程由生物吸附及生物降解兩部分組成。

2）生物吸附過程主要受pH值、生物量和E2濃度限制。其中吸附過程對pH值具有明顯的依賴性，與生物量和E2濃度則呈明顯正相關(guān)。弱堿性下（pH=8）吸附效率最為顯著，約是酸性和強(qiáng)堿性的2～5倍，可達(dá)0.28 mg/g。

3）當(dāng)葡萄糖、甲酸鈉、H 2 O 2、腐殖質(zhì)、Zn 2+和Cu 2+濃度分別為40.0 mg/L、10.0 mg/L、3.0mmol/L、2.0～15.0 mg/L、0.5 mg/L及0.5 mg/L時(shí)，E2的生物降解率提高近12.41%～57.47%。而當(dāng)濃度過高時(shí)即產(chǎn)生明顯抑制作用。另外，Pb 2+或Cd 2+在低濃度就會產(chǎn)生強(qiáng)烈抑制效果。

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（編輯 胡玲）