国家“十四五”规划明确提出，要重视水环境中内分泌干扰物、持久性有机污染物等新污染物的治理。类固醇雌激素（SEs）作为一类典型的内分泌干扰物，低暴露水平（～ng/L）就可造成水生生物和人体的内分泌紊乱、生殖毒性、遗传变异等生物毒性，已成为威胁湖泊生态系统和饮用水安全的突出环境问题。据估算，太湖中SEs的总量高达1842 kg。湖泊系统中污染物会通过多种途径发生转化和降解，特别是微生物作为水体中无处不在的分解者，生物降解是影响SEs消减和风险的重要过程。然而，SEs极低的环境浓度难以作为功能微生物的稳定碳源，因而其降解过程往往依赖于微生物对其他有机物的利用和分解。 溶解有机质（DOM）作为水体中微生物新陈代谢的能量和碳源，不仅影响着群落组成和多样性，而且与微生物对污染物的降解功能息息相关。具体表现为，DOM中生物可降解组分（BDOC）作为可利用碳源，可维持功能微生物的生长和代谢活性，以及污染物与可降解组分通过共代谢过程得到降解。然而，DOM的组成结构极为复杂，受其来源（蓝藻水华、陆源输入等）和原位转化过程（生物降解、光分解等）影响，不同时空下DOM的生物可降解性存在显著差异。虽然目前已有一些关于DOM对内分泌干扰物生物降解的影响研究，但变化环境下湖泊水体DOM结构组成与SEs生物降解之间的构效关系认知仍不清楚。
实验室江和龙团队的白雷雷博士以江苏太湖为研究对象，（1）通过原位调查和End-member混合实验，明确了蓝藻水华期（夏季）和非蓝藻水华期（冬季）水体中DOM结构组成与SEs生物降解潜力（EBP）的同步时空变化，建立DOM光谱特征与EBP之间的构效关系；（2）以藻源DOM为例，借助前期研发的DOM生物活性快速检测及分离装置，通过生物测定、高分辨率质谱、及微生物群落分析，在分子水平深入揭示了藻源DOM结构对微生物群落降解SEs的影响机制。
主要研究结果：
（1）DOM结构组成与SEs生物降解呈同步时空变化
在蓝藻水华期间，水体中新鲜度较高、腐殖化和芳香性较低的小分子DOM浓度升高，BDOC和EBP均显著高于以原位分解后、腐殖化程度较高DOM为主的冬季水体（图1a和1d）。空间上，陆源输入的大量强芳香性、高分子量腐殖质不利于SEs生物降解，造成竺山湾内EBP低于梅梁湾和贡湖湾（图2）。End-member混合实验也证实，藻源DOM对SEs生物降解的促进作用显著强于陆源DOM，但微生物老化后藻源DOM的底物激发效应剧烈降低。此外，EBP与%BDOC的正相关性强于DOC浓度（图1b和图1c），说明相较于总体DOM，SEs生物降解更依赖于可生物降解DOM的微生物循环。
图1 太湖北部湖湾SEs生物降解潜力（EBP）与DOM可生物降解性（%BDOC）的时空变化。（a）EBP及碳标准化EBP；（b）EBP与DOC浓度相关性；（c）EBP与BDOC浓度相关性；（d）%BDOC。ZSB：竺山湾；MLB：梅梁湾；GHB：贡湖湾。
图2 太湖北部湖湾SEs生物降解潜力的时空变化
（2）DOM光谱特征是预测水体中SEs生物降解潜力的有效因子
通过偏最小二乘回归（PLS-R）模型，共得到三个预测组分。如图3a所示，PC1解释了64%的DOM光谱特征变化度和66%的Y变量（EBP和%BDOC）变化度，代表从新鲜组分到腐殖组分的梯度。PC2解释了15%的DOM光谱特征变化度和13%的Y变量变化度，代表从强芳香性指数到低分子量指数的梯度。基于VIP值，荧光峰T和C比值是最有效的预测因子（VIP=3.62），说明类蛋白质与类腐殖质组分之比是控制EBP和%BDOC的主要因子。DOM芳香度和分子量既与其生物可降解性有关，也影响其与SEs的化学络合，因此SUVA254和斜率比（SR）也是EBP的有效预测因子（VIP分别为1.42和1.08）。线性拟合分析表明，这些因子可以较准确的预测EBP和%BDOC (R2值分别为0.78和0.90)（图3b和3c）。
图3 DOM光谱特征与SEs生物降解潜力（EBP）、DOM可生物降解性（%BDOC）的偏最小二乘回归（PLS-R）分析。（a）负荷图，EBP和%BDOC为Y变量，DOM光谱特征为X变量；（b）和（c）%BDOC和EBP的实测值及PLS预测值。
（3）SEs生物降解速率与藻源DOM的生物可降解性呈非线性响应
以藻源DOM为底物时，雌二醇（E2）经24 h几乎降解完全，而随着DOM生物可降解性从78%下降到1%，E2降解速率显著下降（图4a），表明可生物降解组分的优先同化加快了E2的生物降解。然而，随DOM生物可降解性降低，生物量标准化SEs降解速率呈现先下降、后上升的非线性响应模式，说明寡碳条件下，滞后期（24 h）后SEs的生物降解得到增强（图4b）。综合高分辨率质谱和PCA分析（图4c），DOM中类蛋白质和类碳水化合物分子的丰度与微生物浓度和SEs降解速率呈正相关，而生物量标准化降解速率与类脂质分子相关。
图4 藻源DOM（C-DOM）及其不同生物可降解性组分对雌二醇（E2）生物降解的影响。（a）E2降解动力学；（b）基于16S RNA基因拷贝数的生物量标准化E2降解速率；（c）DOM分子结构和E2生物降解的PCA分析。C-DOM不同生物可降解性组分：C-DOM（78%）、EB1（67%）、EB2（36%）、EB3（14%）、EB4（1%）。
（4） 藻源DOM分子的定向降解调控微生物群落的降解功能
微生物学分析表明上述非线性响应模式与“富碳→寡碳”过程中微生物降解SEs的驱动机制转变有关。富碳条件下，蛋白质、碳水化合物及不饱和烃类等分子维持并促进微生物群落的生长和多样性，增强代谢活性并加快SEs降解。寡碳条件下，替代底物诱发的微生物群落选择和自适应机制在24 h适应期后发挥主导作用，提高生物量标准化E2生物降解速率。除了潜在降解菌（如Sphingobacterium）的丰度增加，网络分析也显示高氢碳比的DOM分子（蛋白类和脂类分子）具有很高的联结度（图5），是驱动微生物群落构建的主要因子，诱发了强确定性的群落装配过程，上调了群落聚集度及对污染物的代谢能力。
图5 基于Spearman秩相关的藻源DOM分子与微生物群落组成在OTU水平的相关网络分析
以上结果阐释了变化环境下，湖泊水体DOM结构组成与内分泌干扰物生物降解的耦联关系，提出了蓝藻水华产生的DOM将加快水体中内分泌干扰物的生物转化，而陆源DOM输入及DOM的生物老化过程可能造成内分泌干扰物积累。本研究对变化环境下新污染物的动态变化和行为预测具有重要指导意义，也对湖泊复合污染的生态修复提供了科学参考。
上述相关研究成果分别发表在环境科学领域主流期刊Journal of Hydrology 和Science of the Total Environment上。本研究受国家自然科学重点基金、青年基金、省青年基金、中科院环境生物技术重点实验室开放课题等项目资助。
文章链接：
https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S0022169422007995
https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S0048969721051330
