湖泊沉積物對17β-雌二醇的降解效能

摘 要：沿湖泊沉積物垂直高度取表層（SL，0～2 cm）、中層（ML，14～16 cm）、底層（BL，28～30 cm）3層底泥微生物為對象，研究了湖泊沉積物對17β雌二醇（17βestradiol， E2）的生物降解效能。 結果表明：無論在好氧還是厭氧條件下，E2及其副產物雌激素酮（estrone， E1）的降解行為與沉積物沉積深度和環境溫度有密切關系：底泥沉積深度愈深，E2降解速率愈低；在微生物活性溫度范圍內，環境溫度愈高，E2降解速率愈高。好氧條件下，湖泊沉積物中E2降解反應的k值為0.002～0.120 h-1?g-1?L；厭氧條件下，k值為0.002～0.057 h-1?g-1?L。由于誘導馴化及有機物競爭關系減小等原因，向反應體系中再次添加E2后，其k值增大約34%。 湖泊沉積物中硝化細菌的存在對E2降解具有促進作用。

關鍵詞：湖泊；沉積物；17β雌二醇；生物降解；降解速率

中圖分類號：X703.1

文獻標志碼：A

文章編號：1674-4764（2012）04-0125-06

Efficiency of Biodegradation of 17β-Estradiol by Lake Sediment

HE Fang1，LI Fusheng2，AKIRA Yuasa2，WANG Liguo1

(1. College of Resources and Environment， University of Jinan， Jinan 250022， P. R. China;

2. River Basin Research Center， Gifu University， 1-1 Yanagido， Gifu 501-1193， Japan)

Abstract:Batch experiments using sediment mud liquors spiked with 17β-estradiol (E2) were performed. The sediment mud liquors were prepared from the sliced surface (SL， 0～2 cm)， middle (ML， 14～16 cm) and bottom (BL， 28～30 cm) layers of sediment cores collected in a lake， respectively. By measuring the concentration profiles of E2 and its biotransformation compound， estrone (E1)， the great dependency of E2’s degradation behavior upon the vertical position of the sediment and temperature was clearly demonstrated under both aerobic and anaerobic conditions: the degradation rate decreased with the increase of sediment depth and increased with higher temperature. In addition， by assuming a first-order rate reaction， the disappearance rate constant (k) of E2 under the aerobic condition was estimated to in the range of 0002～0.120 h-1?g-1?L， while under the anaerobic condition in the range of 0.002～0.057 h-1?g-1?L. Because of microorganism domestication and competition reduction of organic compounds， k was increased by about 34% after re-spiking E2. The addition of ammonia to the experiment under aerobic condition seemed to be responsible for promoting disappearance of E2 from solutions.

Key words:lake; sediment; 17β-estradiol; biodegradation; degradation rate



在諸多天然類固醇雌激素中，17β-雌二醇(E2)被認為是最具潛在影響、作用最強烈且在水環境中普遍存在的一種，其質量濃度低至ng/L級時仍對水生生物繁殖、生態安全乃至人類健康造成極大的潛在威脅［1-2］。生活污水是水環境中E2的重要來源，污水處理廠進水中E2的質量濃度達到13.9～136 ng/L［3-4］，由于不同活性污泥處理工藝和使用年限、曝氣池中菌密度、操作方式和運行條件的不同，E2在出水中的濃度差別很大，對受納水體造成極大的安全隱患［5-8］。但目前關于河流、湖泊等天然受納水體中E2的研究卻鮮有報道［9-10］；且由于E2具有一定的脂溶性特征［11］，易在水體沉積物中蓄積，沉積物中富含硝化菌、反硝化菌、硫酸鹽還原菌、甲烷菌等微生物［12］會與E2發生物理的、化學的和生物的相互作用，其作用結果對天然水體水質自然凈化起著決定性的作用。

以日本境內某湖泊為研究對象，該湖泊兼具飲用、灌溉水源、水產水運、開展旅游和改善生態環境等多種功能，具有非常重要的代表性。以該湖泊沉積物中微生物為菌源，探討溫度、DO、底泥沉積深度等環境因子對E2降解過程的影響，旨在完善現有各污水處理廠的操作、運行工藝參數及實際工程應用于E2污染水體治理，有效提高E2的去除效率。

1 材料與方法

1.1 研究區簡介

湖泊沉積物取自日本岐阜境內的長良湖泊，該湖泊總面積1 516 km2，流域面積45 458 km2，平均水深2.41 m。注入河流22條，集流面積29 115 km2。

由于湖泊微生物的種類受水質、污水排放情況等的影響，因此對該流域的土地使用情況及污水排放情況從上游至下游設置6個微區進行調查，取樣及調查地點和結果分別見圖1、表1。

1.2 沉積物采集及處理

含有微生物的沉積物樣品取自日本岐阜縣境內的某一湖泊，在湖泊中心部位無擾動采集30 cm厚的表層及沉積物柱芯，按2 cm間隔分截，取其表層（SL，0～2 cm）、中層（ML，14～16 cm）、底層（BL，28～30 cm）3個沉積層底泥，分別置于50 mL離心管中，3 000 r/min離心分離5 min，離心管底部沉泥作為實驗中菌源。底泥及間隙水的性質見表2。

1.3 標準溶液

試驗所用E2和E1購自日本的Wako Pure Chemical Industries， Ltd.，根據不同的用途分別配制成標準溶液及試驗用溶液。為保證E2為外部添加唯一有機碳源，試驗用E2溶液是在Milli-Q超純水中溶解的。

1.4 批次生物降解試驗

3個沉積層底泥分別用Milli-Q超純水配制成相同濃度的水樣400 mL，放入已經滅菌的500 mL三角燒瓶中，再一起放入振蕩式培養器內。在振蕩式培養器攪拌（120 r/min，避光）進行的同時定量加入E2開始試驗，并在預定的時間取樣。試驗分別控制不同的反應因子：溫度（20 ℃、5 ℃）、DO（振蕩攪拌維持好氧條件DO值8.5 mg/L左右；培養器內連續通入濕潤氮氣維持厭氧條件DO小于0.1 mg/L）、沉積底泥中存在的硝化細菌是否對E2降解具有促進作用及微生物誘導馴化作用對E2降解速率的影響，具體試驗條件見表3。

1.5 樣品預處理及分析

不同時間從反應器中取出的混合液（約10 mL），3 000 r/min離心分離3 min后，取上清液用045 μm醋酸纖維濾膜過濾，并按甲醇：濾液=10：90的體積比例加入甲醇，LC-MS測定溶液液相中E1、E2、E3的濃度變化。分析儀器及測定條件見文獻［13］。

2 結果與討論

2.1 水溫對E2降解反應的影響

由圖2可見，20 ℃時E2從液相中消失的速率遠高于5 ℃的場合。 反應進行96 h時，培養溫度為20 ℃的反應器液相中E2達到檢出限以下，而約24％的E2仍然存在于培養溫度為5℃的反應體系中；溫度對副產物E1的影響與E2相同。同樣，在厭氧反應條件下，溫度高時E2降解速率也大于溫度低時E2的降解速率，說明環境溫度高時由于微生物活性相對較高，所以E2降解速率相應提高［14］。

2.2 底泥沉積深度對E2降解反應的影響

圖3(a)、(b)為典型的E2、E1濃度隨上、中、下湖泊底泥沉積深度逐漸增加與反應時間的變化圖。可見，隨上、中、下底泥層沉積深度的增加，E2降解速率依次遞減。上層底泥中E1濃度急劇增加后快速降低，而中層、下層底泥中E1增加和降低的速度相對緩和。同好氧條件場合不同，厭氧條件下，生成的E1在一定的反應時刻（上層為試驗開始96 h后，中層、下層為試驗開始168 h后）從液相中完全消失，反應進行至285 h時E1濃度再次上升到達一個峰值，到反應結束時E1從液相中消失。

2.3 溶解氧對E2降解反應的影響

由圖4可見，好氧（DO濃度為8.5 mg/L左右）條件下隨反應時間增加，液相中E2濃度降低，反應初期E2濃度急劇降低，24 h后E2在液相中的濃度僅為025 μg/L隨反應進行，液相中E1濃度逐漸升高，6 h后E1濃度上升到17.56 μg/L，后又緩慢降低，反應48 h時，E1達到檢出限以下；在整個反應過程中未檢出E3；厭氧（DO濃度在0.1 mg/L以下）條件下，E2降解速率明顯低于好氧條件。反應 6 h僅約31%的E2消失，96 h后液相中E2仍為1.12 μg/L且E2脫氫反應生成的E1隨反應時間進行濃度降低后又逐漸增加，后再降低，最終從液相中完全消失，厭氧反應過程中未檢出E3，此現象與文獻［13］中報道的一致。

2.4 硝化細菌及微生物馴化作用對E2降解反應的影響

研究表明［15-16］，含有硝化細菌的硝化污泥對雌激素具有較好的去除作用。為了探討湖泊沉積物中存在的硝化細菌是否對E2降解具有促進作用及雌激素對環境微生物的誘導馴化作用，試驗中以樣品Run 1和Run 4為對象，在第一輪反應進行約290 h（E2從反應體系液相中完全消失）后，向該反應器中繼續添加適量E2，樣品Run 4在添加E2的同時添加適量NH4-N，實驗條件見表3，圖5表明了E2再添加及NH4-N的添加對E2降解反應的影響，表4列出了其相應的反應速率常數。

由圖5結合表4可見，試驗開始287.5 h后再添加E2的反應體系（Run 1'： k=0.181 (1/h)/(g/L)）與最初添加E2的反應體系（Run 1：k=012 (1/h)/(g/L)）相比較，其k值增大約34%。 這可能是由以下幾點因素導致的：再次向體系中添加E2之后，1)由于可以以E2為營養源進行新陳代謝，體系中存在的對E2有降解能力的微生物數量增加了；2)E2對沉積底泥中存在的微生物產生了一個誘導馴化過程；3)隨反應時間的進行，沉積底泥中存在的與E2有競爭降解關系的有機物的量減少了。 另外，再添加E2時同時添加NH4-N的反應體系Run 4′（k=0.250 (1/h)/(g/L)）與未添加NH4-N的反應體系Run 1′（k=0.181 (1/h)/(g/L)）相比較，其k值增大約38%。 可見向體系中添加NH4-N導致沉積底泥中硝化細菌數量的增加，加速了E2的降解速度，也證實了文獻中提及的硝化細菌的存在能大大提高污泥對雌激素物質的降解能力。

2.5 湖泊沉積物中E2的生物降解動力學解析

根據一級反應動力學模型，對不同沉積深度湖泊沉積物在不同環境微條件下對E2的生物降解實驗數據進行分析，以沉積底泥的干燥質量為基準，得到不同條件下E2的反應速率常數，分析結果見表4。

可以看出，無論在好氧還是厭氧條件下，隨著底泥沉積深度的增加，E2的降解速率依次遞減。 對于表層底泥，20 ℃時，好氧反應條件下k為0.120 h-1?g?L-1，厭氧反應條件下k為0.057 h-1?g?L-1；5 ℃時，好氧反應條件下k為0.047 h-1?g?L-1，厭氧反應條件下k為0.019 h-1?g?L-1，即k好氧≈2k厭氧；對于中層底泥，k好氧≈k厭氧；對于底層底泥，k好氧=k厭氧。上述數據結合表2，可以看出，由于試驗所用上、中、下層沉積物沿湖泊垂直方向的距離僅為30 cm，其相應地VSS，N，P，C等沉積指標值相差無幾，因此推測E2降解速率的差異可能主要是由不同深度的沉積底泥層中含有的好氧性微生物和厭氧性微生物的種類和數量的差異導致的；此外，由于環境溫度對微生物活性具有較大影響，因此從表4可見，處于相同垂直高度的湖泊沉積底泥20 ℃時E2降解速率比5℃時增加2.5～3.7 倍。關于湖泊沉積物中微生物的種類、數量的區別及其與周圍環境包括取樣點水質、污水排放情況等的關系，將在后續文章中介紹。

3 結論

1) 在湖泊沉積物培養體系中，好氧條件下，中間產物E1直接被體系中存在的生物酶氧化，逐漸從液相中完全消失；而厭氧條件下，E1隨反應時間進行濃度降低后又逐漸增加，后再降低直至從液相中完全消失。

2) 無論在好氧還是厭氧條件下，隨著底泥沉積深度的增加，E2降解速率依次遞減。在微生物的活性溫度范圍內，適當提高培養溫度，可大大增加E2降解速率。

3) 好氧條件下，E2的k值為0.120～0.002 h-1?g-1?L；厭氧條件下，E2的k值為0.057～0002 h-1?g-1?L。由于誘導馴化及有機物競爭關系減小等原因，向反應體系中再次添加E2后，其k值增大約34%。向體系中添加NH4-N導致硝化細菌數量的增加，加速了E2的降解，其k值增大約38%。

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（編輯 胡 玲）