在试点规模的厌氧-好氧生物膜系统中，量化线性烷基苯磺酸盐生物降解过程中的限速步骤及微生物分层现象

《Biochemical Engineering Journal》：Quantifying the rate-limiting step and microbial stratification in linear alkylbenzene sulfonate biodegradation within a pilot-scale anaerobic-aerobic biofilm system

本研究的中文摘要为：针对线性 alkylbenzene sulfonate (LAS) 污水处理难题，开发了一种厌氧滤器-生物接触氧化（AF-BCO）分层生物膜系统。通过代谢流分析发现烷基链 β-氧化为限速步骤，硫解与氧化通量比为3.2:1，结合高通量测序揭示 Desulfobacter（18.7%）主导厌氧层完成硫解，Pseudomonas（22.1%）主掌好氧层实现芳香环降解，构建了微生物代谢分层的理论模型，为高浓度 surfactant 废水处理提供新范式。

　　

娄慧青|曹贤忠

浙江时装职业技术学院纺织学院，中国宁波315211

摘要

线性烷基苯磺酸盐（LAS）在废水中的广泛排放对传统处理系统构成了重大挑战。本研究通过一种新型的中试规模厌氧过滤器-生物接触氧化（AF-BCO）分层生物膜系统，对LAS的生物降解过程进行了定量、多层次的机制分析。在优化条件下（总水力停留时间24小时，溶解氧4.0–5.0毫克/升，温度30–35摄氏度），该系统实现了98.2%的LAS去除率和96.1%的COD去除率。关键在于，代谢通量分析定量确定了烷基链β-氧化是限制步骤，其磺酸酯水解与β-氧化的通量比为3.2:1，这为过程设计提供了动力学依据，超越了经验优化。高通量测序和宏基因组学揭示了空间上协调的代谢分工：Desulfobacter（18.7%）主导了厌氧生物膜，这与高suyAB基因丰度和磺酸酯酶活性相关，负责初始的磺酸酯裂解；而Pseudomonas（22.1%）则在好氧生物膜中占主导地位，这与高CYP450基因表达和单加氧酶活性相关，负责芳香环的矿化。动力学建模验证了底物和氧的利用模式，系统在受到严重冲击负荷（250毫克/升LAS）后48小时内完全恢复了处理效率。通过整合代谢通量、微生物生态学、分子生物学和反应器动力学，本研究为设计处理含表面活性剂废水的分层生物膜系统建立了一个预测性的机制框架。

引言

线性烷基苯磺酸盐（LAS）是一种主要的阴离子表面活性剂，占全球合成表面活性剂产量的25–30%[1]。它在家用和工业洗涤剂中的广泛使用导致其大量进入废水流，原始污水中通常检测到1–15毫克/升的浓度[2]。尽管被认为具有中等程度的生物降解性，但持续的LAS排放导致其在环境中的持久性，在厌氧污泥中的积累（高达5.6克/千克）[3]，以及操作上的挑战，如泡沫形成、氧气传输受阻和疏水性污染物的乳化[4]。这些问题凸显了迫切需要先进和可持续的LAS去除技术。

传统的好氧生物过程（例如活性污泥）仅在LAS浓度较低（<50毫克/升）时有效，在高负荷下由于泡沫形成、污泥膨胀和大量吸附（20–50%的LAS）而非矿化作用，性能会下降[5]。厌氧消化通常只能去除不到40%的LAS，因为磺酸酯基团会抑制产甲烷活性[6]。厌氧-好氧混合系统通过结合厌氧水解和好氧矿化显示出潜力，但其设计仍主要基于经验，缺乏定量机制理解[7]。高级氧化过程（AOPs）可以实现超过95%的去除率，但由于能耗高（3.5–5.0千瓦时/立方米）和化学需求大，以及有毒副产物形成的风险，经济上不可行[8]。

基于生物膜的系统具有对抗冲击负荷的固有稳定性和高生物量保留能力[9]，可以通过优化关键操作参数（如水力停留时间（HRT）和溶解氧（DO）来创建不同的氧化还原区域。然而，由于缺乏对代谢分配和限制步骤的定量理解，其在LAS降解中的应用受到限制。虽然先前的研究定性表明烷基链β-氧化可能是瓶颈[10]，但在连续流分层生物膜系统中缺乏系统的通量分析。此外，这些系统中吸附与生物降解的相对贡献常常被忽视，导致性能声明夸大[11]。至关重要的是，空间微生物分层与编码关键酶（例如用于磺酸酯裂解的suyAB和用于芳香环羟基化的CYP450）的功能基因的表达、相应的酶活性以及由此产生的降解动力学之间的直接联系，在中试规模上尚未得到验证。

为了解决这些不足，我们开发了一种具有分层生物膜结构的厌氧过滤器-生物接触氧化（AF-BCO）系统。我们假设该系统的高去除效率源于空间上协调的代谢分工，其中磺酸酯基团的厌氧水解和芳香环的好氧矿化发生在不同的氧化还原区域，从而减少了中间产物的积累和竞争性抑制。这一过程预计将显著提高废水的生物降解性，可通过BOD₅/COD（B/C）比值的增加来衡量。本研究超越了定性的性能报告，通过整合代谢通量分析来识别和量化限制步骤，通过高通量测序和宏基因组学来解析功能性微生物分层，通过定量PCR和酶测定来建立基因-酶-功能关系，以及通过动力学建模来验证底物和氧的利用模式。通过结合微生物生态学、分子生物学和过程工程，本研究为设计处理高浓度表面活性剂废水的分层生物膜系统提供了一个预测性框架，对能源效率、操作稳定性和工业可扩展性具有明确的意义。

部分内容

试剂和化学品

本研究的主要污染物线性烷基苯磺酸盐（LAS）纯度≥99.0%，平均烷基链长度为11.6，购自Sigma-Aldrich（美国圣路易斯）。HPLC分析使用乙腈（HPLC级，≥99.9%，Merck，德国）作为流动相，高氯酸钠（GC级，≥99.5%，Sigma-Aldrich）用于缓冲液制备。氮气补充使用尿素（分析级，≥99.0%，Sinopharm Chemical Reagent Co., Ltd.）。

操作特性和降解机制

AF-BCO系统的启动阶段在60天内进行了监测（图2），显示出明显的操作阶段进展。初始适应期（第1-15天）的特点是LAS去除效率低（在20-30毫克/升的进水浓度下<10%），而COD去除率则从3.05%稳步上升到53.19%。这种模式——即COD去除先于显著的LAS降解——表明了微生物的逐渐适应，这一现象已有文献记录

结论

本研究从机制上阐明了中试规模AF-BCO系统中LAS的高效生物降解。该系统实现了98.2%的LAS去除率和96.1%的COD去除率，这一效果得益于生物膜空间结构所协调的专门化代谢分工。本研究的关键进展是定量确定了烷基链β-氧化是限制步骤，其磺酸酯水解与β-氧化的通量比为3.2:1。

资助

本研究得到了浙江省基本公共福利研究计划项目（项目编号LTGS24E080003）、浙江省软科学研究计划项目（项目编号2025C25052）和绍兴市科学技术计划项目（项目编号2023A13007、2024A13010）的支持。

CRediT作者贡献声明

娄慧青：撰写——原始草稿、可视化、验证、方法学、数据分析、概念化。曹贤忠：撰写——审阅与编辑、监督、资源管理、项目协调、资金获取、概念化。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能会影响本文所述工作的财务利益或个人关系。