《Chemosphere》：Accelerating polymer biodegradation through the use of pre-adapted sludge in an OECD 302B inherent biodegradability test
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本研究通过OECD 302B测试，评估预适应污泥对六种不同聚合物降解的影响，发现仅高取代羟丙基甲基纤维素降解加速，证实预适应可缩短研究周期而不改变最终生物降解性结论。
Vurtice C. Albright | Nathalie Vallotton | Aaron M. Williams | Lyndsay Leal | Scott A. Backer | Yunzhou Chai
陶氏化学公司，密歇根州，48674，美国，毒理学与环境研究与咨询部门
摘要
近年来，人们对聚合物的环境归趋给予了更多关注。然而，现有的生物降解测试方法和指南可能并不适用于聚合物，因为评估聚合物的生物降解过程复杂且具有挑战性。特别是，由于聚合物通常需要更长的时间才能完成生物降解，因此需要加速生物降解的测试方法。一种方法是使用从活性污泥中提取的预适应菌种，以缩短研究时间并提供关于聚合物在环境中行为更准确的信息。本文评估了预适应处理对六种不同化学结构的聚合物材料在OECD 302B测试中的生物降解影响。对于五种材料（低取代度甲基羟乙基纤维素、高取代度甲基羟乙基纤维素、阳离子葡聚糖、高分子量聚环氧乙烷和低取代度羟丙基甲基纤维素），预适应处理与未处理处理之间的生物降解结果没有差异。对于剩下的材料（高取代度羟丙基甲基纤维素），使用预适应污泥后其降解速率加快。研究结果表明，在OECD 302B测试中使用预适应菌种有可能缩短研究时间，同时不会显著改变材料的生物降解性评估结果。
引言
近年来，由于人们对聚合物在环境中的存在及其对生态系统潜在影响的担忧，人们对聚合物环境归趋的兴趣日益增加。表征聚合物归趋的一个关键方面是它们在不同环境介质中的最终降解潜力。目前有许多测试方法和指南用于确定物质在环境中的归趋和持久性。其中最著名和被广泛接受的是经济合作与发展组织（OECD）制定的生物降解和环境归趋测试指南。然而，这些指南是为离散的有机物质设计的（Albright和Chai，2021年）。由于聚合物的分子量通常高于这些筛选指南中规定的时间，因此它们需要更长的时间才能降解。因此，研究人员正在积极寻找实验室条件下更快速的筛选方法来评估聚合物在环境中的行为。
一种已被证明可以减少滞后阶段、降低抑制作用并缩短研究时间的方法是使用经过预适应处理的活性污泥（Dalmijn等人，2020年；Herzog等人，2014年；Vázquez-Rodríguez等人，2011年）。预适应过程包括将菌种源暴露于目标物质或其结构类似物中，这会导致微生物和/或微生物群落的变化，从而可能提高生物降解速率（Poursat等人，2019年）。虽然通常不会监测微生物群落或微生物的具体变化，但这些变化可能包括突变、酶修饰、细胞结构改变以及种群组成的变化（Lund和Rodriguez，1984年）。Feng等人（2020年）将活性污泥预适应于逐渐增加的草甘膦浓度，持续280天。适应期后，将预适应污泥和未适应污泥暴露于草甘膦中24小时。与未适应污泥相比，预适应污泥表现出更强的草甘膦去除能力，且污泥生物量增长未受抑制（Feng等人，2020年）。Karahan等人（2010年）将活性污泥预适应于逐渐增加的非诺苯酚乙氧基化物（NPEO）浓度，持续8个月。预适应污泥降低了NPEO的抑制作用，从而促进了该物质的生物降解（Karahan等人，2010年）。Herzog等人（2014年）对活性污泥群落进行了多代适应。每一代都是通过一系列实验从前一代中衍生出来的。每一代都表现出更短的滞后阶段和更高的去除速率（Herzog等人，2014年）。Thouand等人（1996年）使用经过适应的Pseudomonas putida进行对硝基苯酚降解实验，发现滞后阶段仅为2.8至52小时，这比之前使用未适应微生物的研究（Nyholm等人，1984年）有了显著改进）。
然而，仍存在担忧，即预适应污泥是否会导致与未适应污泥相比在生物降解速率和程度上产生不同结果，尤其是对于更复杂的聚合物物质（ECHA 2023年；OECD，2006年；Strotmann等人，2023年）。本文旨在评估预适应处理对六种不同化学结构的聚合物材料在OECD 302B测试中的生物降解影响。实验使用了未适应和预适应的活性污泥，历时十八个月，以研究1）微生物预适应是否可以通过测试系统中溶解有机碳（DOC）的去除来提高生物降解速率；2）这种预适应是否会在生物降解达到平台期时导致更彻底的生物降解。更好地理解这些测试系统中聚合物的生物降解行为为推进我们对聚合物生物降解动力学及其环境影响的认识提供了有希望的途径。本研究的新颖之处在于，它是首次采用污泥适应方法来研究聚合物材料的生物降解，以期开发出加速测试方法。
测试材料
本研究中使用的六种聚合物材料包括低取代度甲基羟乙基纤维素（LS-HEMC）、高取代度甲基羟乙基纤维素（HS-HEMC）、阳离子葡聚糖（CATDEX）、高分子量聚环氧乙烷（PEO）、低取代度羟丙基甲基纤维素（LS-HPMC）和高取代度羟丙基甲基纤维素（HS-HPMC）。这些材料代表了不同的聚合物化学结构、侧链取代基和分子量，来源如下：
初始溶解有机碳（DOC）测量值
使用未适应活性污泥进行的生物降解实验中，测试材料和参考材料的初始DOC值见表3。所有材料的剂量约为150 mg DOC/L（标称浓度）。尽管这些材料应该是可溶的，但有五种材料（LS-HEMC、HS-HEMC、PEO、LS-HPMC和HS-HPMC）的溶解过程超过了3小时，其中最高的DOC值出现在第1天而不是第3小时。
讨论
OECD用于评估物质好氧生物降解性的测试框架采用分层策略，首先进行易降解性筛选测试（测试指南301系列），然后进行内在生物降解性测试（测试指南302系列），最后利用相关环境介质进行模拟研究（如测试指南303、307、308和309）。如果材料在任一筛选阶段未能通过……
结论
研究表明，预适应活性污泥菌种可以加速生物降解速率并减少降解测试的变异性，而不会显著改变最终结果（Poursat等人，2019年；Vázquez-Rodríguez等人，2011年）。在本研究中，仅有一种材料（HS-HPMC）表现出生物降解速率的加速。此外，预适应方法也有助于预测新材料在环境中的归趋（Poursat等人，2019年）。
CRediT作者贡献声明
Vurtice C. Albright III：撰写 – 审稿与编辑，撰写 – 初稿，验证，项目管理，方法学，调查，数据分析，概念化。Nathalie Vallotton：撰写 – 审稿与编辑，监督，方法学，概念化。Aaron M. Williams：撰写 – 审稿与编辑，验证，资源管理，方法学，调查。Lyndsay Leal：撰写 – 审稿与编辑，监督。Scott A. Backer：撰写 – 审稿与编辑，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所述的工作。
致谢
我们感谢同事Jing Hu博士对本文的手稿进行了建设性的讨论和关键性审查。
