蒽醌缓解全氟辛酸抑制并促进反硝化除磷系统恢复的机理研究

《Environment International》：Metabolic perturbations associated with per- and polyfluoroalkyl substances and their relationships with glycated hemoglobin in the Dutch PIAMA birth cohort

本研究针对全氟辛酸（PFOA）抑制反硝化除磷（DPR）系统运行的难题，通过添加蒽醌（AQ）作为氧化还原介体，系统探究了其对营养物去除、关键酶活性及微生物代谢的调控机制。结果表明，100 μmol/L AQ可显著提升PO43--P、总氮和化学需氧量（COD）的去除效率，并增强多聚磷酸盐激酶（PPK）、硝酸还原酶（NAR）等酶活性和电子传递速率，同时富集具有AQ降解能力的反硝化聚磷菌（DPAOs），通过醌-氢醌氧化还原循环促进胞内碳氮磷代谢通路协同增效，为难降解有机物胁迫下DPR工艺的强化恢复提供了理论依据和技术支撑。

　　

随着工业发展和城市化进程，难降解有机污染物对污水处理系统的稳定运行构成严峻挑战。全氟辛酸（PFOA）作为一种典型的新型污染物，具有高度持久性和生物累积性，不仅威胁水生生态系统安全，还可通过抑制微生物代谢活性显著降低废水处理效能。尤其在反硝化除磷（DPR）工艺中，PFOA的积累会损害反硝化聚磷菌（DPAOs）的功能，导致氮、磷去除效率下降。如何快速恢复受抑制的DPR系统性能，已成为污水处理领域亟待解决的关键问题。

在这一背景下，氧化还原介体作为一种高效的生物强化策略受到广泛关注。其中，蒽醌（AQ）因其稳定的氧化还原性能和较低的成本，在促进生物脱氮等过程中展现出潜力。然而，AQ能否缓解PFOA对DPR系统的抑制，其作用机制如何，尚缺乏系统研究。发表于《Environment International》的这项研究，正是针对这一空白展开深入探索。

研究团队通过批次实验和长期连续流实验，结合酶活性分析、电子传递系统活性（ETSA）测定和宏基因组学技术，系统评估了AQ对PFOA抑制下DPR系统的恢复效果。实验采用序批式反应器（SBR），以经过PFOA预抑制的污泥为接种污泥，在三个阶段分别考察了PFOA暴露、AQ投加以及PFOA撤除后系统的响应变化。

3.1. 短期AQ投加对DPR系统的影响

通过测定不同浓度AQ下PO₄^3--P、COD和氮素的转化规律，发现100 μmol/L AQ对磷释放与吸收的促进效果最显著，而400 μmol/L AQ对总氮去除的提升更为明显。综合考虑磷、氮去除效能，研究选择100 μmol/L用于后续长期实验。

3.2. AQ对DPR系统营养物转化的长期影响

长期运行结果表明，在持续PFOA胁迫下（Phase II），投加AQ的反应器（R1）的PO₄^3--P去除效率比对照组（R0）提高0.45倍；在停止PFOA投加后（Phase III），R1的磷去除性能进一步提升，且污泥活性（以MLVSS/MLSS比值表征）显著高于R0。典型周期分析显示，AQ促进了厌氧释磷、糖原降解和聚羟基丁酸酯（PHB）合成，并显著提高了比磷吸收速率（SPUR）和比反硝化速率（SDNR）。

3.3. AQ对关键酶活性及ETSA的影响

酶活性检测发现，AQ的投使多聚磷酸盐激酶（PPK）、多聚磷酸盐外聚酶（PPX）和硝酸还原酶（NAR）的活性在Phase III时分别提升至Phase I的2.16倍、1.45倍和1.19倍。同时，ETSA在AQ存在的条件下显著升高，说明AQ有效增强了微生物间的电子传递效率。

3.4. 微生物群落结构变化

在门水平上，拟杆菌门（Bacteroidota）和绿弯菌门（Chloroflexota）在AQ投加后相对丰度增加；属水平分析表明，AQ促进了诸如脱氯单胞菌（Dechloromonas）、厌氧绳菌（Anaerolinea）等具有AQ还原能力的DPAOs的富集。这些菌群通过催化AQ与氢醌之间的氧化还原循环，加速了电子在微生物间的传递。

3.5. 宏基因组分析

KEGG通路注释显示，AQ投加后碳水化合物代谢和能量代谢通路丰度上升。氮代谢相关基因（如narH）和磷代谢基因（如phoD、ppk2）在AQ组中下降幅度小于对照组，说明AQ缓解了PFOA对关键代谢通路的抑制。此外，AQ还促进了EMP糖酵解途径和PHB合成相关基因（如phbB）的表达，优化了细胞内碳源存储与利用。

本研究阐明，AQ通过富集具有AQ还原功能的DPAOs，构建了高效的醌-氢醌氧化还原循环，进而提升关键酶活性、强化电子传递，并协同调控碳、氮、磷代谢网络，最终显著增强DPR系统在PFOA胁迫下的抗逆性与恢复能力。该研究不仅揭示了氧化还原介体在难降解有机物胁迫下调控微生物代谢的新机制，也为实际污水处理工艺的优化提供了理论支持和技术途径。需要注意的是，尽管AQ具有天然来源、成本低廉等优势，但其潜在生物毒性与二次污染风险要求在未来应用中开发固定化、可控化的AQ投加技术，以实现环境友好型的工程推广。