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生物法处理废水过程中硝化作用在人造甜味剂的生物降解中的作用

摘要

实验第一次检验了具有硝化作用的活性污泥对六种人造甜味剂：安赛蜜、天冬甜素、甜精、新橙皮苷二氢查尔酮、糖精和蔗糖素的生物降解作用。实验结果表明，天冬甜素和新橙皮苷二氢查尔酮即使在对照组中也是最容易被降解的化合物，甜精和糖精能被具有硝化作用的活性污泥高效降解，但安赛蜜和蔗糖素的消除效果很差。然而，随着生物反应器中初始铵浓度的增加，这些人工甜味剂的生物降解效率也随之增加。对硝化作用和共代谢降解的关系进行探索，发现目标人工甜味剂的硝化速率和共代谢速率呈线性关系。非自养微生物和氧化氨的自养微生物在人工甜味剂的生物降解的作用也已阐明：氧化氨的自养微生物在人工甜味剂的生物降解中起重要作用，特别是对安赛蜜和蔗糖素的降解。

1、前言

有机污染物如药物和个人护理用品及内分泌干扰物在自然界及工程系统如污水处理设备的出现和命运在最近几十年里日益受到关注。最近发现，与个人护理用品相似，人工甜味剂在各种环境如废水、地表水、地下水和饮用水源中普遍存在。在自然条件下，人造甜味剂通过人类摄取低卡路里的饮料、食物及其它产品消失在自然环境中。而在这些饮料等产品中，人工甜味剂作为糖类替代物大量使用。人类摄取的人工甜味剂通过尿或粪便排出体外。人工甜味剂在地表水系统中的广泛出现出于两个原因：甜味剂在人体中的不完全代谢和它们在环境中的耐受性。水生环境中人工甜味剂的浓度差别极大：从几十纳克每升到几十毫克每升。这种浓度的差异取决于所处的环境区及人工甜味剂的种类。比如，Buerge et al. (2009)报道，未处理的废水中安赛蜜的含量为 12–43 ug/L、甜精的含量为10–65 ug/L、糖精的含量为3.0–18 ug/L 、蔗糖素的含量为2.0–9.1 ug/L 。在另一项研究中，Buerge et al. (2009)也发现，糖精在液体厩肥中以高达 12 mg/L的浓度出现并在储存两个月后仍稳定存在。最近，人工甜味剂经常被发现出现在大部分的地表水、地下水中，甚至在几份自来水样中也以高达微克每升的浓度出现。人们为阐明人工甜味剂的生物积累和生态毒理影响进行了无数的研究，然而直到今天，人工甜味剂对人类健康和水生生物的毒性作用仍然存在争议。有人认为，蔗糖素之类的人工甜味剂对代谢没有任何影响，因为人工甜味剂用量很少所以于不会增加卡路里的摄入量。然而，最近的动物性研究表明，蔗糖素可能远不止使食物和饮料尝起来更甜这么简单。例如， Zhang et al. (2012) 发现，在一般不摄入与营养无关的甜味剂的肥胖人群中，在口服葡萄糖的情况下，蔗糖素会影响血糖与胰岛素的反应。他们也发现，当内脏的受体被人工甜味剂激活后，葡萄糖的吸收量也会增加。尽管到目前为止，痕量人工甜味剂对对人体健康的毒性作用相对未知，持续排放并长期暴露于人工甜味剂和个人护理用品/内分泌干扰物可能会越来越多地对人类健康造成威胁。因此，需要从废水及水源中去除人工甜味剂以保护人类健康和水生环境，特别是在人们越来越能接受废水回收利用的情况下。时至今日，有一些强调在废水/水处理中移除人工甜味剂的研究也不足为奇了。然而，对人工甜味剂的生物降解过程中氧化氨的自养微生物发挥的作用却知之甚少。因此，此项研究的目的就是检查具有硝化作用的活性污泥对特定人工甜味剂的降解作用。与此同时，也阐明了人工甜味剂的硝化作用与共代谢降解的关系。

2、方法

2.1目标人工甜味剂、化学试剂及溶剂

本研究探究的目标人工甜味剂是安赛蜜、天冬甜素、甜精、新橙皮苷二氢查尔酮、糖精和蔗糖素。选择这些人工甜味剂的原因是它们在低卡路里饮料、食物及其它产品中广泛存在。表1列出了这些人工甜味剂的物理化学性质。在这项研究中，所以人工甜味剂及其它化学试剂和溶剂纯化程度都很高（大于99%），它们是从新加坡的Sigma–Aldrich 购买的。氘标记物纯化程度也很高（大于98%），这些氚标记物如ACE-d4，ASP-d5，CYC-d11，SAC-d4，和SUC-d6 购买自加拿大多伦多的Toronto Research Chemicals Inc。无机盐培养基的组成依照Tran et al. (2009)的做法有：碳酸钠 1514 mg/L； 七水合硫酸镁 41.6 mg/L；二水合氯化钙 50 mg/L；磷酸