基于配对质量距离（PMD）分析的多级生物接触氧化过程中DOM的转化过程及去除机制

《Bioresource Technology》：Transformation process and removal mechanism of DOM based on paired mass distance (PMD) analysis in the multi-stage biological contact oxidation process

多阶段生物接触氧化法（MBCO）中溶解有机物（DOM）的降解路径通过FT-ICR MS、PMD网络和微生物群落分析首次阐明，发现DOM分子多样性增加近三倍，木质素比例从11.6%升至73.4%，主要发生分子间转化而非元素组成改变，且与特定微生物群落相关。

　　

郭宇辰|孙振|王杰琼|田永兰|刘继宝|郭中宇|胡艾斌|吴东明|张云飞|杨少霞|牛俊峰

华北电力大学环境科学与工程学院，北京 102206，中国

摘要

了解污水处理过程中溶解有机物（DOM）的降解途径对于提高DOM去除效率至关重要。虽然多级生物接触氧化（MBCO）工艺作为一种有前景的新兴废水处理技术被越来越多地应用，但对其DOM转化机制的认识仍然有限。本研究首次通过结合傅里叶变换-离子回旋共振质谱（FT-ICR MS）、成对质量差（PMD）分析和微生物群落分析，阐明了MBCO中的DOM转化途径。结果表明，生物处理显著增强了DOM的分子多样性，检测到的分子数量几乎增加了两倍。在处理过程中，DOM中的木质素比例从11.6%上升至73.4%，同时芳香性和腐殖化程度也有所增加。PMD分析显示，DOM的转化主要通过木质素或饱和化合物之间的分子转化实现，元素组成变化很小；参与转化的功能基团（如添加/丢失）主要由C、H和O组成。值得注意的是，MBCO的DOM转化途径与传统生物处理过程有所不同，包括可能与1-羟乙基和乙酰基的潜在取代反应——这可能是由于其独特的微生物群落所致。对6种DOM降解微生物（Serratia、Klebsiella、Escherichia-Shigella、Pseudomonas、Bacillus、Clostridium）与70种PMD（与3种常见的DOM降解途径相关：糖酵解/糖异生；甘氨酸、丝氨酸和苏氨酸代谢；氨基糖和核苷糖代谢）之间的相关性分析表明，不同的微生物偏好特定的转化途径。这些发现为通过定向增强MBCO中的微生物来提高DOM去除效率提供了指导。

引言

近年来，污水排放量逐年增加，从2016年的82.3 × 10⁹ m³增加到2022年的109.9 × 10⁹ m³（Wang等人，2023年）。与此同时，人为排放到环境中的溶解有机物（DOM）也随之增加，对生态系统构成了重大威胁（Cerro-Gálvez等人，2021年；Vila-Costa等人，2020年）。作为高度异质的混合物，DOM是导致废水化学需氧量（COD）高的重要成分，因此成为污水处理过程中的主要去除目标（Phungsai等人，2016年）。污水中的DOM包括来自人类活动的微量有机污染物、来自生活/工业用水的难降解DOM以及在生物处理过程中形成的可溶性微生物副产物（Maizel和Remucal，2017年）。由于DOM的多方面环境影响，它成为污水排放和再利用的关键瓶颈（Wang和Chen，2018年）。DOM会改变水的颜色和浊度，对水生生物产生毒性。此外，污水中的DOM排放还会改变天然DOM的组成，从而影响接收水体中有机污染物和重金属的命运（Wen等人，2022年）。此外，DOM还会通过高级氧化过程中的自由基清除和循环系统中的膜污染降低水处理效率（Wen等人，2022年；Shi等人，2020年；Yu等人，2024年）。在饮用水再利用的情况下，残留的难降解DOM成为氯化消毒过程中的主要副产物前体（Cao等人，2019年；McDonough等人，2022年）。因此，了解污水处理系统中的DOM转化途径和去除机制有助于优化处理性能并推进可持续的水资源再利用策略（Wang等人，2021年）。

生物处理是最广泛采用的污水处理方法之一，通常能够实现超过70%的COD去除效率（Zhang等人，2021年）。传统的生物处理系统包括活性污泥法、厌氧/好氧（A/O）法、厌氧/缺氧/好氧（A²/O）法和膜生物反应器（Wu等人，2020年）。在这些系统中，微生物通过细胞外酶水解、跨膜运输、细胞内代谢和共代谢途径降解DOM（Ni等人，2018年）。然而，由于DOM降解本质上依赖于微生物代谢，不同处理过程中微生物群落组成的变化可能导致不同的DOM去除途径和机制（Colatriano等人，2018年）。尽管已有大量研究对传统生物处理过程（如A²/O法和活性污泥法）中的DOM转化进行了表征（Zhang等人，2021年），但新兴的多级生物接触氧化（MBCO）工艺仍需进一步探索。MBCO通过使用高比表面积的纤维生物膜载体来增强生物质保留和处理效果，从而提高生物质负荷、促进更长的食物链并减少过量污泥的产生（Dong等人，2024年；Zeng等人，2024年；Tian等人，2025年；Mahto和Das，2022年）。这些载体创造了同时具有好氧、缺氧和厌氧条件的微环境，支持具有不同代谢生态位的多样化微生物群落（Ni等人，2018年）。尽管MBCO的应用日益广泛，但其背后的DOM转化和去除机制仍不甚清楚，需要深入研究微生物驱动的DOM动态。

傅里叶变换-离子回旋共振质谱（FT-ICR MS）已成为复杂环境基质中DOM分子水平表征的强大工具（Sleighter和Hatcher，2007年；Hu等人，2025a；Du等人，2025年；Wu等人，2025年）。近年来，FT-ICR MS已被用于多种水生系统（包括废水、河流、海水和地下水）中的DOM分子水平表征（Shakeri Yekta等人，2012年；Tseng等人，2013年；Lin等人，2024年）。虽然大多数当前研究主要关注DOM分子的内在性质，但关于分子间转化途径的研究仍处于起步阶段。基于成对质量差（PMD）分析的反应组学新兴方法在研究DOM反应方面显示出巨大潜力（Wang等人，2021年；Liu等人，2023年）。这种方法能够识别可能的DOM转化途径（Zhang等人，2025a）。此外，通过参考已建立的生化数据库（如京都基因与基因组百科全书（KEGG）），PMD分析可以将观察到的质量差异与特定反应联系起来，从而阐明与DOM转化相关的代谢途径（Ali等人，2025年；Hu等人，2025b）。尽管有一些研究使用这种方法揭示了DOM的分子转化途径（Wang等人，2021年；Liu等人，2023年），但对微生物在这些途径中的参与机制及其关键微生物种群的机制理解仍然有限。因此，将基于PMD的反应组学与微生物群落分析相结合，研究MBCO系统中的DOM组成和转化途径，可以为揭示其背后的去除机制提供关键见解。

总之，本研究在一个试点规模的MBCO系统中调查了DOM的转化途径和机制。采用了一种多技术方法，结合了三维激发-发射矩阵荧光光谱（3D-EEM）、尺寸排阻色谱-有机碳检测器（SEC-LC-OCD）和FT-ICR MS来表征DOM的性质，包括荧光成分、分子量（MW）分布和分子组成。基于PMD的反应组学被用来识别潜在的转化途径，并构建DOM中关键分子的反应网络。通过基因组分析，揭示了整个处理过程中微生物群落的组成及其与DOM性质的功能关系。从分解者和供给者的角度，阐明了DOM与微生物之间的权衡和进化关系。这些为开发基于微生物的DOM去除策略和优化MBCO过程提供了科学基础。

化学物质、采样和预处理

本研究中使用的化学物质的来源和纯度详细信息见补充材料（SM）。污水样本采集自中国天津某污水处理厂的MBCO工艺。在处理过程中，废水温度保持在16-17°C，这一温度适合微生物生长和代谢，确保了整个系统的稳定运行。MBCO工艺包括两个厌氧阶段

DOM整体性质的变化

进水、13个反应池（Y1-H9）和出水的水质参数总结见SM。从进水到出水，COD显著降低，从86.5 ± 1.07 mg/L降至23.1 ± 4.82 mg/L（去除率为73.4%），氨氮从37.7 ± 1.66 mg/L降至1.9 ± 0.04 mg/L（去除率为94.9%）。与传统生物处理工艺（COD去除率为53-90%，氨氮去除率为65.5-99.7%）相比，MBCO系统表现出更优的性能

结论

本研究揭示了新兴MBCO工艺中DOM的独特转化特征。例如，DOM的转化主要发生在木质素或饱和化合物之间，氧气添加/脱氧、脱水和乙酰基及1-羟乙基基团的取代是主要途径。值得注意的是，DOM的转化与高丰度的微生物没有直接关联，而是与特定的DOM降解微生物（如Serratia和Klebsiella）相关

CRediT作者贡献声明

郭宇辰：撰写——审稿与编辑，撰写——初稿，方法学，研究。 孙振：撰写——审稿与编辑，方法学。 王杰琼：撰写——审稿与编辑，资源，方法学，研究，概念化。 田永兰：撰写——审稿与编辑，方法学。 刘继宝：撰写——审稿与编辑，方法学。 郭中宇：撰写——审稿与编辑，方法学。 胡艾斌：撰写——审稿与编辑，方法学。 吴东明：撰写——审稿与编辑

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能会影响本文工作的财务利益或个人关系。

致谢

本研究得到了国家重点研发计划（2022YFE0135700）和中央高校基本科研业务费（2023MS061）的财政支持。