微藻-细菌颗粒污泥对17α-乙炔雌二醇的去除作用：细胞外光敏化作用的被忽视的作用

《Environmental Research》：Removal of trace 17α-ethinylestradiol by microalgal-bacterial granular sludge: The overlooked role of extracellular photosensitization

MBGS系统在360 μmol/(m2·s)光照下实现99.2%的17α-乙炔雌二醇（EE2）去除率，光降解贡献63.3%，主要由EPS中蛋白质介导的 triplet excited state（3EPS*）驱动，其产生活性氧物种（ROS）占光降解的95.2%。研究揭示了微藻-细菌共生系统中EPS的光催化机制及协同作用。

　　

洪浦学|丁向伟|张伟|葛莉|鲍毅|余青苗|何玉杰|耿金菊

教育部三峡水库区域生态环境重点实验室，重庆大学环境与生态学院，重庆400044，中国

摘要

微藻-细菌颗粒污泥（MBGS）系统是一种环保技术；然而，其对微量新兴污染物的去除机制尚未得到充分阐明。本研究在调控光照强度的条件下，探讨了MBGS系统对17α-乙炔雌二醇（EE2）的去除效果及其潜在机制。在360 μmol/(m2·s)的光照强度下，MBGS系统对EE2的去除率为99.2%，解毒率为97.8%，其中光降解是主要去除途径，占总去除量的63.3%。这种光降解主要由普通小球藻与来自浮霉菌门、拟杆菌门和酸杆菌门的细菌共同分泌的细胞外聚合物物质（EPS）中的蛋白质驱动。宏蛋白质组学分析鉴定出五种可能产生活性氧（ROS）的光敏蛋白。基于探针的化学实验证实，EPS在极高的稳态浓度下能够作为有效的光催化剂，生成三重激发态的³EPS*。生成的³EPS*表现出高度的光敏感性，贡献了95.2%的EE2光降解。本研究为MBGS系统中微量污染物去除的光化学机制提供了新的见解，并强调了通过调控光照强度或蛋白质表达来优化系统性能的潜力。

引言

内分泌干扰化合物，特别是合成雌激素（SEs），在城市水系统中被广泛检测到（Islam等人，2021年）。这些SEs的雌激素活性是内源性雌激素的11-30倍（Aris等人，2014年；Tang等人，2021年）。例如，市政污水处理厂进水中的17α-乙炔雌二醇（EE2）浓度通常在ng/L到μg/L之间，最高可达7.9 μg/L（Klaic & Jirsa，2022年；Pessoa等人，2014年；Tang等人，2021年）。为了保护水生生态系统免受雌激素污染，欧盟为地表水制定了严格的环保标准（EQS），其值为0.035 ng/L（EC，2018年；Liu等人，2021年）。尽管污水处理厂是阻止雌激素排放的关键屏障，但传统处理技术在去除雌激素方面的效果有限，EE2的平均去除效率仅为68.3% ± 12.5%（Knopp等人，2016年；Tang等人，2021年；Vatankhah等人，2019年），这凸显了迫切需要先进的三级处理技术（即高级氧化工艺AOPs）。然而，AOP的实施由于高化学和能源需求而显著增加了运营成本。因此，探索环保和低碳的处理策略以改善SEs的去除效果至关重要。

近期研究表明，微藻-细菌颗粒污泥（MBGS）具有巨大潜力，其中微藻和细菌通过营养交换、氧气和二氧化碳循环、能量传递以及共同分泌细胞外聚合物物质（EPS）等协同作用，共同构建了一个高效的自维持系统，从而增强了污染物的去除能力（Ji等人，2020年；Ramanan等人，2016年）。然而，现有的MBGS研究主要集中在高浓度条件下（即mg/L水平），在这种条件下，MBGS中新兴污染物的主要去除途径是通过微藻和细菌的生物降解（Aguilar-Romero等人，2024年；Chen等人，2025年）。然而，高浓度污染物（例如1 mg/L的布洛芬）会破坏微藻和细菌的稳定性，引发不良效应，如微藻毒素释放、细菌和微藻中活性氧（ROS）水平升高，以及与氮和有机物代谢相关的功能基因表达变化（Chen等人，2025年）。这些应激反应表明，高污染物负荷可能会破坏细菌和微藻之间的共生平衡。相比之下，在代表实际条件的环境相关浓度下，MBGS的性能仍需进一步研究。我们假设来自高浓度研究的发现可能无法准确反映MBGS在微量污染物水平上的行为，这可能限制了其在实际应用中的潜力。解决这一差距对于评估MBGS在可持续污水处理中的真正潜力至关重要。

天然水体中微量雌激素的去除主要通过光解和好氧/厌氧条件下的生物降解实现（Huang等人，2019年；Huang等人，2024年）。一个关键机制是光激活的氧气与水分子碰撞，生成ROS（如¹O₂、•OH和H₂O₂），这些ROS直接或间接参与光降解并促进后续的生物降解（Bi等人，2024年）。基于此，研究人员研究了各种ROS来源（如溶解有机物）对污染物转化的影响（Hu等人，2025年）。MBGS系统对光照变化特别敏感，光照变化会影响藻类的光合作用和细胞外聚合物物质（EPS）的分泌（Li等人，2024年；Zhang等人，2019年）。我们认为，MBGS产生的EPS作为光依赖性有机物，不仅产生ROS，还积极参与污染物的降解。迄今为止，EPS的光化学行为及其在MBGS中去除污染物的作用仍不甚明了，这阻碍了对这项技术的理解和优化。雌激素的光降解可能会产生有毒副产物，导致急性或慢性生态效应，包括内分泌干扰和慢性疾病（Yu等人，2022年）。MBGS分泌的EPS缓解这些效应的潜力尚不清楚。鉴于这些知识空白，全面研究EPS在MBGS系统中去除和解毒雌激素的作用对于推进其实际应用至关重要。

本研究通过调控光照条件，系统地研究了MBGS对微量EE2的去除机制。具体而言，我们的目标是：（1）评估MBGS对微量EE2的去除和解毒性能；（2）确定EE2去除的主要途径和关键功能组分；（3）阐明MBGS菌群中细菌的协同作用；（4）揭示微量EE2的去除机制。这些发现为理解MBGS中微量污染物的去除机制提供了关键见解，并提出了该技术在实际应用中的优化策略。

化学物质和材料

本研究使用的主要化学物质包括EE2（加拿大多伦多）、17β-雌二醇-d2（E2-d2；加拿大多伦多）、乙酸乙酯（Meryer；中国上海）、甲醇（Meryer；中国上海）、NH₄Cl、CH₃COONa、CaCl₂、KH₂PO₄和MgSO₄，所有这些均为分析级纯度。用于EE2检测的有机相（甲醇）为色谱级纯度。EE2和E2-d2均溶解在MeOH中。除非另有说明，所有溶液均使用超纯水制备。

微量EE2的去除和解毒

在测试的不同光照强度下，MBGS系统对EE2的去除效率表现出强烈的光依赖性，遵循伪一级动力学（图1a）。随着光照强度的增加，去除率和总体EE2消除率均提高，在360 μmol/(m2·s)的光照强度下4小时内达到99.2%的去除率（图S2a）。值得注意的是，光照强度与EE2去除效率之间存在强正相关（R² = 0.92，图S2b）。

结论

本研究系统地研究了MBGS系统对微量EE2的去除机制，特别关注了³EPS*在其中的潜在作用。在360 μmol/(m2·s)的光照强度下，MBGS系统对EE2的去除率和解毒率为99.2%和97.8%，主要通过EPS驱动的光降解实现。鉴定出一些可能参与光降解的蛋白质，包括候选的光敏蛋白（PSPs）。

作者贡献声明

葛莉：数据可视化、方法学。丁向伟：方法学、实验设计。张伟：方法学。洪浦学：初稿撰写、数据可视化、实验设计、概念构建。何玉杰：审稿与编辑、监督、资金争取。耿金菊：审稿与编辑、监督、资金争取。鲍毅：数据可视化、实验设计。余青苗：监督

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文的研究结果。

数据可用性

数据可应要求提供。16S rRNA基因扩增子的原始测序数据已存入NCBI，访问号为PRJNA1436542。

竞争利益声明

作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文的研究结果。

致谢

本研究得到了中国自然科学基金（项目编号：52370200、52300149、22176090、21806075）、国家重点研发计划（项目编号：2023YFC3206905）以及SINOPEC集团（项目编号：324090）的支持。