网络首发||张徐祥教授团队：有机微污染物对反硝化深度脱氮系统的影响研究
文摘
科学
2024-10-08 13:46
浙江
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城市污水处理厂二级出水中硝酸盐与有机微污染物（OMPs）常常共存，有机微污染物具有毒性和潜在的积累性，往往引起生态健康风险，而在深度处理中，有机微污染物对反硝化深度脱氮过程的影响尚不明确。本文搭建了反硝化移动床生物膜反应器，并针对有机微污染物作用下的反硝化性能、有机微污染物去除效果、微生物胞外聚合物（EPS）响应和电子传递链关键酶活性等开展了研究。
张徐祥，南京大学环境学院教授，实验室与设备管理处处长，污染控制与资源化研究国家重点实验室副主任，中国城市科学研究会水环境与水生态分会委员、中国环境科学学会水处理与回用专业委员会常委，Antibiotics、Water Reuse、《能源环境保护》等学术期刊编委。主要从事水环境高风险污染物识别与控制理论、技术研究，主持国家杰出青年基金项目、国家重点研发计划课题、国家科技支撑计划课题、国家自然科学基金重大项目(课题)、国际科学基金项目等多项国家及省部级科研项目。发表SCI论文202篇，出版英文专著1部，获授权专利33项、软著9项，编制国际国内标准28项，以第一完成人获国家自然科学二等奖、教育部自然科学一等奖、江苏省科学技术一等奖各1项，个人获腾讯“科学探索奖”等荣誉。
王德朋，博士，南京大学环境学院副研究员，主要研究领域为污水生物处理新技术及微生物分子机制，长期专注于污染物去除过程中的群落生态特征、微生物代谢机理等方面的研究。主持和参与国家自然科学基金青年基金、国家自然科学基金国际合作与交流项目等项目，共发表学术论文36篇，其中以第一或（共同）通讯作者发表SCI论文15篇，获授权发明专利3项。刘淑怡1，王德朋1,∗，黄开龙1,2， 张徐祥1,∗1. 南京大学 环境学院 污染控制与资源化研究国家重点实验室
2. 南京江岛环境科技研究院有限公司
1. 江苏省碳达峰碳中和科技创新专项资金资助项目(BE2022861）
2. 国家自然科学基金青年基金资助项目(52100068)
城市污水处理厂二级出水中硝酸盐与有机微污染物（OMPs）常常共存，OMPs对反硝化深度脱氮过程的影响尚不明确。为解析OMPs作用下反硝化脱氮过程响应规律，搭建了反硝化移动床生物膜反应器，并针对OMPs作用下的反硝化性能、OMPs去除效果、微生物胞外聚合物（EPS）响应和电子传递链关键酶活性等方面开展了研究。结果表明：OMPs明显降低反硝化脱氮性能，导致碳、氮去除率均出现波动，均降至70%以下；OMPs中炔雌醇（EE）、雌三醇（E3）、双氯芬酸（DCF）的去除率均在75%以上，而卡马西平（CBZ）去除率维持在20%～44%。在OMPs作用下，微生物首先利用部分EPS作为代谢的有机碳源，随后分泌更多EPS以抵御OMPs的胁迫。同时，电子传递链的关键酶活性受到抑制，使电子传递的有效性降低，进而导致反硝化性能变差。值得关注的是，高浓度的OMPs对系统反硝化效果、EPS含量、电子传递链关键酶活性的冲击更强烈，但微生物的代谢响应比低浓度组更快，以期为尾水深度脱氮与OMPs的协同去除提供参考。 城市污水处理厂的二级出水中通常含有一定浓度的硝酸盐氮，其过量排入水体将引起水体富营养化，甚至危害人体健康。随着污水排放标准的日益严格，深度脱氮成为不可或缺的关键环节。此外，二级出水中还含有多种类别的OMPs，如内分泌干扰物、药物等。各类OMPs在二级出水中的浓度从ng/L~g/L不等。由于毒性和水生生物中的潜在积累性，残留的OMPs若直接排放到自然水体中，将对水生生物和人类健康产生危害，甚至引起严重的生态健康风险。反硝化过程能够利用有机碳作为电子供体，还原硝酸盐氮为氮气，是城市污水深度脱氮的关键技术手段。同时，利用反硝化深度脱氮能够协同去除OMPs。例如，王静通过构建缺氧反硝化体系，以典型极性有机溶剂作为电子供体同步实现反硝化脱氮与难降解有机污染物的强化降解；CAO等在后置反硝化固定床生物膜反应器中实现了同步去除二级出水中的硝酸盐和杂环有机微污染物；HU等在反硝化生物滤池中实现了类固醇类雌激素与硝酸盐的同步去除。这些研究都表明，深度反硝化系统具有去除OMPs的潜力。OMPs的存在通常会抑制反硝化过程，降低反硝化速率。MARTÍNEZ等研究发现异养反硝化系统中部分药物和内分泌干扰物去除率较差，这类OMPs的累积可能进一步抑制反硝化脱氮过程。胞外聚合物（Extracellular Polymeric Substances，EPS）一方面是微生物抵御有毒物质胁迫的关键，可以通过黏附作用延缓毒物向微生物内部的扩散，从而减轻有毒物质对细胞的危害。另一方面，EPS也是储备碳源，在微生物抵抗环境压力时提供替代能量。例如，YUAN等发现暴露于氟苯尼考会使微生物EPS含量升高、组成发生变化，随着氟苯尼考浓度的升高，EPS含量先下降后上升，高浓度下微生物蛋白分泌增多。此外，EPS与微生物电子传递链密切相关，可同时作为电子供体和电子载体，促进微生物的电子传递过程。微生物的反硝化作用依赖于电子的产生、传递和消耗。通常电子由碳代谢过程产生，之后通过电子传递链的转移，最终被反硝化酶利用。WANG等向反硝化污泥中加入EPS，其中含有的大量氧化还原介质降低了反硝化过程中的电荷转移电阻和活化能，提高了电子传递系统活性，显著提高了污泥的反硝化性能。REN等发现反硝化菌可以利用EPS作为电子供体进行反硝化。此外，部分OMPs通过电子传递过程直接影响反硝化。例如，SUN等推测氯吡啶可能通过降低电子传递链关键酶活性抑制电子传递，从而抑制反硝化；WANG等研究发现高浓度的氯酚会通过抑制分泌电子载体细胞色素c和黄素腺嘌呤二核苷酸，降低反硝化系统的电子转移活性。因此，研究反硝化深度脱氮系统对OMPs的响应需要关注微生物EPS特性和电子传递链关键功能酶活性的变化规律。城市污水处理厂二级出水中存在的大量内分泌干扰物和药物等OMPs对反硝化深度脱氮过程的影响尚不明确。因此，本研究针对城市污水处理厂二级出水中检出频次高、浓度较高的4种典型OMPs炔雌醇（EE）、雌三醇（E3）、双氯芬酸（DCF）和卡马西平（CBZ），系统研究了其对反硝化移动床生物膜系统的影响，全面评估了反硝化系统脱氮与OMPs去除性能；探究了典型OMPs对生物膜EPS组分和浓度的影响；最后，解析了OMPs影响下反硝化系统中电子传递链关键酶活性的变化规律。本研究旨在探究OMPs作用下的反硝化脱氮过程响应规律，并为尾水深度脱氮及OMPs协同去除提供参考。![]()
图1 反应器出水TOC浓度及去除率
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图2 反应器出水OMPs浓度及去除率
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图3 生物膜EPS相对含量
刘淑怡, 王德朋, 黄开龙, 张徐祥. 有机微污染物对反硝化深度脱氮系统的影响研究[J/OL]. 能源环境保护: 1-8[2024-09-27]. https://doi.org/10.20078/j.eep.20240906.LIU Shuyi, WANG Depeng, HUANG Kailong, ZHANG Xuxiang. Study on the effects of organic micropollutants on advanced denitrification systems[J/OL]. Energy Environmental Protection: 1-8[2024-09-27]. https://doi.org/10.20078/j.eep.20240906.
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2024年第3期
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《能源环境保护》创刊于1987年，双月刊，ISSN 2097-4183/CN 33-1264/X，是由中国煤炭科工集团有限公司主管、中煤科工集团杭州研究院有限公司主办的环境类学术期刊。主编由中国工程院高翔院士担任。主要刊载与能源环境保护有关的基础科学、技术科学及其交叉学科领域的学术论文。已被瑞典开放存取期刊目录（Directory of Open Access Journal，DOAJ）、美国化学文摘（Chemical Abstracts, CA）、欧洲学术出版中心（EuroPub）等数据库收录，连续6年入选《煤炭领域高质量科技期刊目录》T2级。在“双碳”目标下，将进一步聚焦学术前沿、荟萃科学发现、追踪最新动态、汇集最佳成果，推进降碳、减污、绿色低碳发展。
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编辑｜邵方嫄
审核｜金丽丽
