湖泊沉积物对17β－雌二醇的降解效能

何 芳，李富生，Akira Yuasa，王立国

（1.济南大学 资源与环境学院，济南250022；2.日本国立岐阜大学 流域圈科学研究中心，岐阜501－1193，日本）

在诸多天然类固醇雌激素中，17β－雌二醇（E2）被认为是最具潜在影响、作用最强烈且在水环境中普遍存在的一种，其质量浓度低至ng／L级时仍对水生生物繁殖、生态安全乃至人类健康造成极大的潜在威胁［1－2］。生活污水是水环境中E2的重要来源，污水处理厂进水中E2的质量浓度达到13.9～136ng／L［3－4］，由于不同活性污泥处理工艺和使用年限、曝气池中菌密度、操作方式和运行条件的不同，E2在出水中的浓度差别很大，对受纳水体造成极大的安全隐患［5－8］。但目前关于河流、湖泊等天然受纳水体中E2的研究却鲜有报道［9－10］；且由于E2具有一定的脂溶性特征［11］，易在水体沉积物中蓄积，沉积物中富含硝化菌、反硝化菌、硫酸盐还原菌、甲烷菌等微生物［12］会与E2发生物理的、化学的和生物的相互作用，其作用结果对天然水体水质自然净化起着决定性的作用。

以日本境内某湖泊为研究对象，该湖泊兼具饮用、灌溉水源、水产水运、开展旅游和改善生态环境等多种功能，具有非常重要的代表性。以该湖泊沉积物中微生物为菌源，探讨温度、DO、底泥沉积深度等环境因子对E2降解过程的影响，旨在完善现有各污水处理厂的操作、运行工艺参数及实际工程应用于E2污染水体治理，有效提高E2的去除效率。

1 材料与方法

1.1 研究区简介

湖泊沉积物取自日本岐阜境内的长良湖泊，该湖泊总面积1 516km2，流域面积45 458km2，平均水深2.41m。注入河流22条，集流面积29 115km2。

由于湖泊微生物的种类受水质、污水排放情况等的影响，因此对该流域的土地使用情况及污水排放情况从上游至下游设置6个微区进行调查，取样及调查地点和结果分别见图1、表1。

1.2 沉积物采集及处理

图1 长良湖泊研究区域和采样点

表1 湖泊流域土地利用及污染源概况

含有微生物的沉积物样品取自日本岐阜县境内的某一湖泊，在湖泊中心部位无扰动采集30cm厚的表层及沉积物柱芯，按2cm间隔分截，取其表层（SL，0～2cm）、中层（ML，14～16cm）、底层（BL，28～30cm）3个沉积层底泥，分别置于50mL离心管中，3 000r／min离心分离5min，离心管底部沉泥作为实验中菌源。底泥及间隙水的性质见表2。

1.3 标准溶液

试验所用E2和E1购自日本的Wako PurEChemical Industries，Ltd.，根据不同的用途分别配制成标准溶液及试验用溶液。为保证E2为外部添加唯一有机碳源，试验用E2溶液是在Milli－>Q超纯水中溶解的。

表2 沉积物样品特征

1.4 批次生物降解试验

3个沉积层底泥分别用Milli－>Q超纯水配制成相同浓度的水样400mL，放入已经灭菌的500mL三角烧瓶中，再一起放入振荡式培养器内。在振荡式培养器搅拌（120r／min，避光）进行的同时定量加入E2开始试验，并在预定的时间取样。试验分别控制不同的反应因子：温度（20℃、5℃）、DO（振荡搅拌维持好氧条件DO值8.5mg／L左右；培养器内连续通入湿润氮气维持厌氧条件DO小于0.1mg／L）、沉积底泥中存在的硝化细菌是否对E2降解具有促进作用及微生物诱导驯化作用对E2降解速率的影响，具体试验条件见表3。

表3 E2批次降解试验条件

1.5 样品预处理及分析

不同时间从反应器中取出的混合液（约10mL），3 000r／min离心分离3min后，取上清液用0.45μm醋酸纤维滤膜过滤，并按甲醇：滤液＝10：90的体积比例加入甲醇，LC－>MS测定溶液液相中E1、E2、E3的浓度变化。分析仪器及测定条件见文献［13］。

2 结果与讨论

2.1 水温对E2降解反应的影响

由图2可见，20℃时E2从液相中消失的速率远高于5℃的场合。反应进行96h时，培养温度为20℃的反应器液相中E2达到检出限以下，而约24%的E2仍然存在于培养温度为5℃的反应体系中；温度对副产物E1的影响与E2相同。同样，在厌氧反应条件下，温度高时E2降解速率也大于温度低时E2的降解速率，说明环境温度高时由于微生物活性相对较高，所以E2降解速率相应提高［14］。

2.2 底泥沉积深度对E2降解反应的影响

图3（a）、（b）为典型的E2、E1浓度随上、中、下湖泊底泥沉积深度逐渐增加与反应时间的变化图。可见，随上、中、下底泥层沉积深度的增加，E2降解速率依次递减。上层底泥中E1浓度急剧增加后快速降低，而中层、下层底泥中E1增加和降低的速度相对缓和。同好氧条件场合不同，厌氧条件下，生成的E1在一定的反应时刻（上层为试验开始96h后，中层、下层为试验开始168h后）从液相中完全消失，反应进行至285h时E1浓度再次上升到达一个峰值，到反应结束时E1从液相中消失。

图2 好氧条件下温度对E2、E1浓度的影响（Run 2，Run 6）

图3 厌氧条件下底泥沉积深度对E2、E1浓度的影响（Run 1，Run 2，Run3）

2.3 溶解氧对E2降解反应的影响

由图4可见，好氧（DO浓度为8.5mg／L左右）条件下随反应时间增加，液相中E2浓度降低，反应初期E2浓度急剧降低，24h后E2在液相中的浓度仅为0.25μg／L随反应进行，液相中E1浓度逐渐升高，6h后E1浓度上升到17.56μg／L，后又缓慢降低，反应48h时，E1达到检出限以下；在整个反应过程中未检出E3；厌氧（DO浓度在0.1mg／L以下）条件下，E2降解速率明显低于好氧条件。反应6h仅约31%的E2消失，96h后液相中E2仍为1.12μg／L且E2脱氢反应生成的E1随反应时间进行浓度降低后又逐渐增加，后再降低，最终从液相中完全消失，厌氧反应过程中未检出E3，此现象与文献［13］中报道的一致。

图4 好氧（左）、厌氧（右）条件下E2的衰减及副产物E1、E3浓度的变化

2.4 硝化细菌及微生物驯化作用对E2降解反应的影响

研究表明［15－16］，含有硝化细菌的硝化污泥对雌激素具有较好的去除作用。为了探讨湖泊沉积物中存在的硝化细菌是否对E2降解具有促进作用及雌激素对环境微生物的诱导驯化作用，试验中以样品Run 1和Run 4为对象，在第一轮反应进行约290h（E2从反应体系液相中完全消失）后，向该反应器中继续添加适量E2，样品Run 4在添加E2的同时添加适量NH4－N，实验条件见表3，图5表明了E2再添加及NH4－N的添加对E2降解反应的影响，表4列出了其相应的反应速率常数。

由图5结合表4可见，试验开始287.5h后再添加 E2的反应体系 （Run 1＇：k＝0.181 （1／h）／（g／L））与最初添加 E2的反应体系（Run 1：k＝0.12（1／h）／（g／L））相比较，其k值增大约34%。这可能是由以下几点因素导致的：再次向体系中添加E2之后，1）由于可以以E2为营养源进行新陈代谢，体系中存在的对E2有降解能力的微生物数量增加了；2）E2对沉积底泥中存在的微生物产生了一个诱导驯化过程；3）随反应时间的进行，沉积底泥中存在的与E2有竞争降解关系的有机物的量减少了。另外，再添加E2时同时添加NH4－N的反应体系Run 4′（k＝0.250（1／h）／（g／L））与未添加 NH4－N的反应体系 Run 1′（k＝0.181（1／h）／（g／L））相比较，其k值增大约38%。可见向体系中添加NH4－N导致沉积底泥中硝化细菌数量的增加，加速了E2的降解速度，也证实了文献中提及的硝化细菌的存在能大大提高污泥对雌激素物质的降解能力。

图5 好氧条件下E2、NH4－N再添加对E2、E1浓度的影响

表4 好氧及厌氧条件下E2的反应速率常数及相关系数

2.5 湖泊沉积物中E2的生物降解动力学解析

根据一级反应动力学模型，对不同沉积深度湖泊沉积物在不同环境微条件下对E2的生物降解实验数据进行分析，以沉积底泥的干燥质量为基准，得到不同条件下E2的反应速率常数，分析结果见表4。

可以看出，无论在好氧还是厌氧条件下，随着底泥沉积深度的增加，E2的降解速率依次递减。对于表层底泥，20℃时，好氧反应条件下k为0.120h－1·g·L－1，厌氧反应条件下k为0.057h－1·g·L－1；5℃时，好氧反应条件下k为0.047h－1·g·L－1，厌氧反应条件下k为0.019h－1·g·L－1，即k好氧≈2k厌氧；对于中层底泥，k好氧≈k厌氧；对于底层底泥，k好氧＝k厌氧。上述数据结合表2，可以看出，由于试验所用上、中、下层沉积物沿湖泊垂直方向的距离仅为30cm，其相应地VSS，N，P，C等沉积指标值相差无几，因此推测E2降解速率的差异可能主要是由不同深度的沉积底泥层中含有的好氧性微生物和厌氧性微生物的种类和数量的差异导致的；此外，由于环境温度对微生物活性具有较大影响，因此从表4可见，处于相同垂直高度的湖泊沉积底泥20℃时E2降解速率比5℃时增加2.5～3.7倍。关于湖泊沉积物中微生物的种类、数量的区别及其与周围环境包括取样点水质、污水排放情况等的关系，将在后续文章中介绍。

3 结论

1）在湖泊沉积物培养体系中，好氧条件下，中间产物E1直接被体系中存在的生物酶氧化，逐渐从液相中完全消失；而厌氧条件下，E1随反应时间进行浓度降低后又逐渐增加，后再降低直至从液相中完全消失。

2）无论在好氧还是厌氧条件下，随着底泥沉积深度的增加，E2降解速率依次递减。在微生物的活性温度范围内，适当提高培养温度，可大大增加E2降解速率。

3）好氧条件下，E2的k值为0.120～0.002h－1·g－1·L；厌 氧 条 件 下，E2 的k值 为0.057～0.002h－1·g－1·L。由于诱导驯化及有机物竞争关系减小等原因，向反应体系中再次添加E2后，其k值增大约34%。向体系中添加NH4－N导致硝化细菌数量的增加，加速了E2的降解，其k值增大约38%。

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