《Journal of Hazardous Materials》：Thermophilic anaerobic digestion enables simultaneous waste activated sludge reduction and metronidazole degradation
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MNZ在高温（55℃）和常温（37℃）厌氧消化中表现显著差异：高温下通过硝基还原无毒性代谢中间体，同时微生物群落（如假单胞菌属）保持稳定，提升产甲烷量34.7%和溶胞率27.8%；常温下因毒性中间体积累抑制产气42.5%，导致污泥减量效率下降。研究揭示了温度对MNZ降解路径和微生物抗性的关键调控作用，为含抗生素污泥处理提供新策略。
赵文倩|宋超|张秀华|唐爱华|袁先正|夏鹏飞|王树光
中国山东省大学生态科学与工程学院协同控制复杂多媒体污染重点实验室，青岛266237
摘要
甲硝唑（MNZ）是一种针对厌氧感染的药物，其对厌氧消化（AD）的破坏作用比其他广谱抗生素更为严重。在还原作用下，甲硝唑能够抵抗有氧降解，从而从污水处理厂排放出来。本研究探讨了甲硝唑在嗜热消化（TD，55°C）和中温消化（MD，37°C）过程中在污泥中的命运及其影响。结果显示，嗜热消化系统对甲硝唑的抵抗力更强。具体而言，在嗜热消化条件下，甲硝唑的处理使甲烷产量从252.23 ± 14.74 mL/g VSS增加到346.00 ± 11.81 mL/g VSS，可溶性总有机碳（STOC）从2414.18 ± 399.68 mg/L增加到3092.06 ± 247.08 mg/L。相比之下，中温消化系统受到严重抑制，甲烷产量从188.60 ± 7.41 mL/g VSS下降到92.07 ± 9.62 mL/g VSS，同时污泥的溶解度也受到抑制。虽然生物降解是两种消化系统中的主要去除途径，但嗜热消化系统通过还原途径使甲硝唑失活，将其硝基转化为无毒形式，避免了中温消化过程中产生的有毒氧化中间体（如5-羟甲基）。此外，细胞外聚合物物质（EPS）中较高的色氨酸类物质初始浓度可能起到了保护作用。微生物分析表明，嗜热消化系统和中温消化系统的微生物群落结构存在显著差异。在嗜热消化系统中，优势菌属（Pseudomonas和Tepidimicrobium）在甲硝唑作用下仍保持高丰度，而中温消化系统中关键菌属（如Advenella）则受到抑制。这些发现表明，嗜热消化是一种同时降解甲硝唑并回收生物能源的有效策略。
引言
污水处理厂（WWTPs）对于保护环境、提供清洁水源和改善公共卫生至关重要。全球范围内污水处理厂的数量正在快速增长，仅在中国，2008年至2018年间就从1780座增加到5370座，总处理能力从9100万立方米/天增加到1.69亿立方米/天[1]。活性污泥法是污水处理厂中的关键处理工艺，能够去除大部分有机污染物，但也产生了大量需进一步处理的污泥（WAS）。事实上，WAS的处理成本占污水处理厂总运营成本的30-60%，且能耗和资源消耗较高，导致沉重的经济负担和大量的碳排放[2]。据预测，WAS的产量每年将增加约5%，到2025年中国将达到7000万吨[3]，因此需要更加重视WAS的减量和处理问题。
WAS的主要成分是微生物和细胞外聚合物物质（EPS），其中所含的碳化合物具有难以降解的特性。理想的WAS处理工艺应能够减少其量并回收其中资源。厌氧消化（AD）作为一种可持续且碳中性的处理方法，所需的能量较低，能够实现WAS生物质的降解、稳定和资源回收[4]。温度是影响AD过程中微生物生态系统和消化器性能的关键因素[5]。当WAS作为底物时，需要多种共生菌群（如产酸菌、产乙酸菌和产甲烷菌）参与各个消化阶段，温度变化会显著影响微生物群落的代谢，进而影响处理效率和稳定性。目前，中温消化（MD）因其运行稳定性和较低的热需求而在污水处理厂中得到广泛应用。然而，对于WAS而言，水解/溶解过程通常较慢且成为限制因素，可能阻碍污泥的减量和能量回收。相比之下，嗜热消化（TD）作为一种有前景的替代方案，能够克服传统MD的局限性（如转化效率低、停留时间长、反应体积大、稳定性差和能量产出低），在处理WAS方面展现出更大潜力[6]。应用TD处理WAS的一个长期挑战是WAS中的有毒或抑制性化学物质（如抗生素和重金属），这些物质可能具有较高浓度并对TD过程产生负面影响。例如，中国WAS中的抗生素浓度可高达4240 ng/g TSS[7]。已有大量研究探讨了抗生素（如磺胺类、大环内酯类和四环素类）对AD过程的影响[8]。
尽管已有诸多研究，但本研究关注了一种常被忽视的污染物——硝基咪唑类抗生素。这类抗生素与其他广谱抗生素（如磺胺类和四环素类）不同，因为它们对有氧生物降解具有高度抗性，在WAS中吸收后仍能保持大部分抗菌活性，理论上会对TD过程产生不利影响。甲硝唑（MNZ）是一种典型的硝基咪唑类抗生素，在废水处理过程中经常被检测到。现场监测显示，MNZ在市政废水进水/出水和地表水中的浓度通常在ng/L至μg/L范围内（表S1：进水<10-7900 ng/L，出水<10-5600 ng/L，地表水9.1-970 ng/L[9]），医院废水中浓度可达到μg/L级别（进水最高36.5 μg/L，出水14.8 μg/L[10]）。某些特定来源的废水（如制药废水）中MNZ浓度甚至可达mg/L级别（37.8 mg/L[11]），这可能对生物处理单元造成较大压力。目前关于WAS中MNZ浓度的研究较少，因此其确切含量尚不明确。据报道，传统活性污泥处理工艺仅能去除38.9%的进水中的MNZ[12]。因此，MNZ很可能在WAS中持续存在并富集，鉴于其特性，可能对后续的厌氧消化过程构成潜在风险。
甲硝唑是一种前药，其杀菌作用需要在严格厌氧环境中通过还原活化才能发挥。低潜在电子转移代谢（通常涉及参与丙酮酸代谢的铁氧还蛋白氧化还原酶途径PFOR）可将电子通过铁氧还蛋白和黄素还蛋白传递给MNZ的硝基，生成硝基自由基阴离子，进一步转化为亚硝基和羟胺中间体[13][14]。这些短寿命的还原产物会导致DNA损伤，包括链断裂和核酸合成抑制，从而解释了MNZ对专性厌氧菌的强选择性[15]。因此，MNZ能有效杀死革兰氏阴性和阳性厌氧菌，包括属于Clostridium、Bacteroides和Escherichia属的细菌，这些菌属是厌氧消化过程中主要的微生物群落组成部分[16]。此外，由于氧气会抑制自由基反应并竞争电子，MNZ对厌氧发酵菌和其他低氧化还原状态的微生物更有利，可能导致发酵和共生通量减弱，最终降低甲烷产量[17][18]。关于MNZ对AD影响的研究主要集中在中温消化条件下，而提高温度会改变厌氧微生物群落结构，从而可能影响MNZ在MD和TD中的反应差异。例如，在嗜热消化过程中，某些菌类（如Caloramator celer [19]和Thermoanaerobacterium saccharolyticum [20]）可能优先利用丙酮酸甲酸裂解酶（PFL）途径而非PFOR途径，这可能在嗜热条件下赋予它们不同的代谢机制和耐受性。因此，目前仍缺乏对MNZ影响嗜热消化过程的明确理解。
因此，本研究的主要目的是阐明MNZ在中温消化（37°C）和嗜热消化（55°C）中的不同命运和效应。具体而言，本研究旨在：（i）比较MNZ在MD和TD中的降解行为和转化途径，识别关键代谢产物（如有毒中间体），以揭示其环境归趋；（ii）评估MNZ对甲烷产量、污泥减量和关键代谢阶段（水解、产酸和产甲烷）的抑制作用；（iii）通过分析细胞外聚合物物质（EPS）和微生物群落变化来揭示微生物系统的抗性机制。这些发现为选择合适的消化温度以处理含抗生素的污泥提供了理论依据。
部分内容摘录
污泥来源和化学物质
本研究使用的污泥取自中国青岛市某市政污水处理厂的二次沉淀池。该厂主要处理生活污水，进水化学需氧量（COD）为320-500 mg/L，处理能力约为100,000立方米/天。通过直径小于5毫米的筛网物理去除粗颗粒物。收集后，污泥立即在4°C的冷藏条件下运输至实验室。
嗜热消化中MNZ的还原失活
首先研究了MNZ在中温消化（MD）和嗜热消化（TD）中的降解过程及相应代谢途径。两种过程的MNZ去除率均超过99%，其中TD的降解速率更高（图1A和1B）。此外，在37°C和55°C的去离子水中监测了MNZ浓度，以评估水解或热降解的去除潜力，但在前三天内未检测到明显去除效果（图S1）。
结论
本研究强调了嗜热消化（TD）在减轻MNZ抑制作用方面的优越性能。通过还原失活途径快速降解MNZ，结合嗜热微生物的强抵抗力，使得甲烷产量、底物溶解度和VFA生成得到提升，即使在MNZ存在的情况下也是如此。研究结果突显了消化温度的重要性，TD对MNZ压力的响应更为稳健。
环境影响
通过污泥的土地施用排放甲硝唑（MNZ）会对生物体造成神经毒性和致畸风险。本研究证实了嗜热消化（TD）是降低这一风险的关键策略。TD通过还原失活途径有效降解MNZ，防止有毒中间体的形成，同时促进污泥减量和甲烷生成。此外，它还增强了WAS的减量效果。
作者贡献声明
张秀华：撰写、审稿与编辑、资料整理、方法学研究、数据分析。
宋超：撰写、审稿与编辑、初稿撰写、监督、方法学研究、数据分析。
唐爱华：撰写、审稿与编辑、资料整理、方法学研究、数据分析。
赵文倩：撰写、审稿与编辑、初稿撰写、方法学研究、实验设计、数据分析。
夏鹏飞：撰写、审稿与编辑、初稿撰写、资料整理、方法学研究。
袁先正：
利益冲突声明
作者声明不存在可能影响本文研究的已知财务利益或个人关系。
致谢
本研究得到了国家自然科学基金（22278246和22378233）、山东省科技厅（2022HWYQ-017）、山东省自然科学基金（ZR2021ME066）、枣庄市人才集聚项目专项资助（王树光）、山东大学青年学者计划（夏鹏飞）以及泰山学者计划（编号tstp20230604）的支持。同时感谢LC-MS技术的支持。
