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研究速递|污水管网中药物及个人护理品输送转化的生物毒性机制
发布者: 金鹏康 | 2022-03-10 | 100

近日,团队在污水管网污染物转化与调控研究方面取得新进展,相关成果《Metabolic hazards of pharmaceuticals and personal care products (PPCPs) in sewers》发表在环境领域著名期刊《Journal of Hazardous Materials》(IF= 10.588)。金鹏康教授为论文通讯作者,博士后石烜为论文第一作者。

"污水管网污染物转化与调控"是污水处理与资源化创新团队、水循环与碳中和技术研究院的重点研究方向之一。在中共中央、国务院发布的《关于深入打好污染防治攻坚战的意见》中,明确提出了加快补齐城镇污水收集和处理设施短板,以期尽快实现强化污水管网污染物溯源整治的要求。在此背景下,探究污水管网中多元污染物的转移转化机制,为污染物的科学调控提供理论依据,也具有了更鲜明的实际意义。

文章简介:近年来,随着城市化进程的发展以及人口的不断增加,污水中药物及个人护理品(Pharmaceuticals and personal care products, PPCPs)的排放量也与日俱增。污水管网是城市污水处理系统的首要环节,其承担的污水收集与输送任务是保障城市生态文明发展的重要支撑。然而,PPCPs在污水管网输送过程中,受微生物代谢降解的作用,其含量与形态会呈现显著的转化现象,产生的生物代谢产物会对污水管网微生物系统以及外界水环境形成潜在的毒性效应,但其转化特性与环境毒性机制仍需进一步探究。对此,本研究通过监测6种典型的PPCPs在污水管网中转移转化规律,揭示了PPCPs对管网生物膜中微生物种群繁衍的影响特性,并借助宏基因组手段,探究了生物毒性作用下,抗性基因的产生特性及其引起的潜在环境风险。

污水管网中PPCPs的转化规律:为保证污水管网生物膜中微生物的稳定代谢功能,本研究中试系统在添加PPCPs进行对照实验前已稳定运行120天,随后进行为期90天的三阶段对照实验。结果表明,SMX、CAF以及TCY具有较高的降解特性,这是由于上述三种物质具有较好的亲水性,更易于生物的代谢降解。而TCY与SMX的分子结构存在给电子官能团以及电子吸收基团,如羟基、胺与氯、酰胺等,进一步促进了生物对其的降解效率。然而,APAP对厌氧生物降解具有一定抗性,因此其降解率相对较低。

图1:六种典型PPCPs在污水管网中试系统三阶段运行过程中的降解特性(四环素,TCY;磺胺甲恶唑,SMX;咖啡因,CAF;乙酰氨基酚,APAP;三氯生,TCS;二乙茎甲苯酰胺,DEET)

PPCPs的转化对污水管网微生物种群结构的影响特性:当系统运行到阶段Ⅲ时,微生物种群特征已相较阶段Ⅰ、Ⅱ出现明显偏移现象,由此可知,PPCPs对微生物种群结构产生了显著影响。除此之外,SMX与TCY的共同作用与微生物种群的相关性最强(r=0.4003, p=0.004),其次是SMX+TCY+DEET+TCS(r=0.3939, p=0.002)。其中关联性最为显著的种群为具有水解酸化以及硫酸盐还原功能的微生物,例如Desulforhabdus以及拟杆菌门下的Anaerocella。而水解酸化以及硫酸盐还原均为污水管网中优势的代谢反应,PPCPs对上述菌群的影响具有改变污水管网内固有生物反应特性潜在作用。

 

图2:(a) PCoA主成分分析;(b) dbRDA冗余分析;(c) Spearman相关性分析

 

PPCPs的转化对污水管网微生物代谢功能的作用机制:在PPCPs转化的影响下,代谢(Metabolism)、环境信息处理(Environmental Information Processing)、细胞过程(Cellular Processes)和有机系统(Organic Systems) 4个功能基因组的相对丰度均低于对照组,此外,人类疾病功能基因以及抗性基因(ARG)的相对丰度均高于对照组,其中最为显著的功能表达为传染性疾病、神经性疾病以及癌症。这可能是由于长期暴露于PPCPs的代谢混合物会导致管网生物系统代谢功能障碍,并形成了更多有害的代谢物。由此可知,PPCPs污染物的长期存在影响了污水管网生物功能的表达。

图3:PPCPs对污水管网生物系统的功能基因以及生物反应的影响特性 (a)一级功能层;(b)二级功能层

本研究探究了污水管网中PPCPs转化所产生的代谢产物毒性效应,在污水管道渗漏以及暴雨冲刷引起的污染物溢流的场景下,上述毒性代谢产物会排放至周遭环境,形成显著的环境生态威胁。并且,上述代谢产物在自然环境中难以被稀释降解,其危害作用十分持久,如何避免该有毒代谢产物在污水管网中的形成与扩散应是接下来的研究所应着重关注的问题。

原文信息:

 

 

文章链接:https://doi.org/10.1016/j.jhazmat.2022.128539