两种NOB抑制剂的故事：在对硝化/厌氧氨氧化系统中，对氯间甲酚的表现优于苯扎氯铵，从而提升了氮去除效率

《Journal of Environmental Chemical Engineering》：A tale of two NOB inhibitors: Para-chloro-meta-cresol outshined benzethonium chloride in partial nitrification/anammox systems to enhance nitrogen removal performance

　　

卢天毅|高景峰|张金明|张凯|王汉义

中国北京工业大学环境工程系，国家先进城市废水处理与回用技术工程实验室，北京100124

摘要

稳定抑制亚硝酸盐氧化菌（NOB）对于部分硝化/反硝化（PNA）技术在主流废水处理中的成功应用至关重要。化学抑制剂已被认为是抑制NOB的有效策略，它们有可能选择性地抑制NOB，同时保持氨氧化菌（AOB）和反硝化菌（AnAOB）的活性。本研究选择了两种有效的化学抑制剂——对氯间甲酚（PCMC）和苯扎氯铵（BZC），通过112天的实验来研究它们对PNA系统的单独和联合效应。结果表明，2 mg/L和5 mg/L的PCMC单独使用时对NOB活性具有显著的抑制作用，并提高了PNA系统的性能。0.5 mg/L和2 mg/L的BZC对NOB的抑制作用较小，而5 mg/L的BZC则严重抑制了PNA系统中的AOB、NOB和AnAOB。对抗性基因（RGs）的风险评估表明，RGs的传播主要是由PCMC和BZC的联合作用驱动的，而单独使用这两种抑制剂时RGs的传播风险较低。因此，本研究表明PCMC比BZC更适合作为PNA系统中的有效NOB抑制剂，并强调了在实际应用中需要适当管理以降低RGs传播风险。

引言

在部分硝化/反硝化（PNA）过程中，由氨氧化菌（AOB）驱动的部分硝化（NH?? → NO??）与反硝化过程（NH?? + NO?? → N? + NO??）相结合，从而实现了总氮的有效去除[1]。这是一种节能技术，消除了外部有机碳源的成本，并且与传统氮去除工艺相比产生的污泥量较少[2]。然而，主流PNA技术尚未得到广泛应用，其中一个主要障碍是在抑制亚硝酸盐氧化菌（NOB）的同时确保氨氧化菌（AOB）和反硝化菌（AnAOB）的活性[3]。已经研究了多种常见策略，包括控制溶解氧（DO）、游离氨（FA）和温度的浓度，以抑制NOB并实现部分硝化效果。据报道，0.6-0.7 mg/L的DO浓度可以有效地促进NO??-N的积累，同时减少NO??-N的生成[4]。先前的研究还表明，约12 mg/L的FA浓度可以抑制NOB活性[5]。然而，上述策略通常伴随着高运营成本、复杂性以及NOB的适应性等问题。例如，在长期运行过程中观察到NOB对低DO条件和基于FA的污泥处理具有适应性[6]。因此，开发一种新型NOB抑制剂以克服这些限制并促进主流PNA的实际应用至关重要。

如今，化学抑制剂作为一种有前景的选项出现，用于抑制NOB并促进部分硝化，与传统方法相比具有更快的启动时间和更长的维护时间。化学化合物可以直接影响参与氮去除的功能微生物的活性和多样性，其效果取决于暴露时间和浓度[7]。对氯间甲酚（PCMC）和苯扎氯铵（BZC）作为表面活性剂制造和制药中的常用抗菌剂[8][9]，也被报道为有效的化学NOB抑制剂，有助于促进部分硝化。郭等人的研究表明，用PCMC浸泡处理30小时可以成功实现长达157天的稳定部分硝化[10]。先前的研究还证实，在连续投加1 mg/L的BZC50天后，可以持续实现并维持部分硝化[11]。此外，由于有效的PNA抑制剂不仅需要抑制NOB，还需要同时保持AOB和AnAOB的活性，因此值得研究BZC和PCMC是否具有这些特性，以适合作为PNA系统中的NOB抑制剂。

聚氨酯（PU）广泛用作废水处理厂（WWTPs）中的生物载体，不可避免地会导致某些片段从这些载体上脱落并形成微塑料（MPs），即直径小于5毫米的塑料颗粒[12]。MPs可以作为微生物定植的持久性和疏水性基底，从而形成塑料圈层[13]。塑料圈层中的微生物群落结构通常与活性污泥中的不同，先前的研究表明塑料圈层可能富集特定的功能微生物，从而有助于硝化过程[14]。还有报道指出，在外部压力下，MPs倾向于富集病原菌[15]，可能对废水处理系统构成生态风险。了解PNA系统中的塑料圈层是否有助于富集功能微生物或病原菌对于优化PNA性能和确保系统稳定性至关重要。因此，本研究选择了PU MPs作为代表性的生物载体，以研究生物膜和塑料圈层之间的微生物群落差异，并评估塑料圈层可能带来的生态风险。这项研究的发现将加深对PNA系统在PCMC和BZC作用下的微生物动态的理解。

关于废水处理过程中抗生素抗性基因（ARGs）和抗菌素抗性细菌（ARB）的担忧日益增加，这对生态系统和公共健康都构成了重大风险[16]。越来越多的研究报道了抗菌剂对废水处理系统中抗性基因（RGs）增殖的促进作用。例如，过度使用多种抗生素（如大环内酯类和四环素类）导致相应的ARGs（blaOXA、ermB和tetW）在废水处理系统中的富集[17]。此外，一些非抗生素类的抗菌剂，如苯扎二甲铵和三氯生，也被报道会在氮去除系统中导致RGs的积累和传播[18]。因此，应当注意，化学抑制剂的应用也可能引发环境问题。然而，作为两种典型的抗菌剂，当暴露于PCMC和BZC时RGs的传播风险仍很大程度上未被探索。了解RGs在PNA系统中暴露于PCMC和BZC时的命运将为它们的应用提供有价值的指导，并有助于在实际使用中减少其环境影响。

本研究旨在：（1）研究PCMC和BZC单独和联合使用对PNA性能、细胞毒性、胞外聚合物物质（EPS）动态和微生物群落结构的影响；（2）通过分析功能基因表达和微生物活性的变化，评估PCMC和BZC作为PNA系统中NOB抑制剂的有效性；（3）评估暴露于PCMC和BZC时RGs的传播风险；（4）比较生物膜和塑料圈层之间的微生物群落结构和RGs丰度的变化。本研究有望通过使用化学NOB抑制剂为实现稳定高效的主流PNA系统提供有效解决方案。

章节片段

NOB抑制剂暴露实验

本研究使用了三个有效体积为3升、排放量为1.5升的序贯批次固定床生物膜反应器（SFBBRs），分别标记为R1、R2和R3。使用聚氨酯海绵作为生物载体来培养PNA污泥，填充比为30%。成熟的PNA污泥均匀分配到三个SFBBRs中，每个反应器的混合液悬浮固体（MLSS）浓度设置为6000 ± 500 mg/L。每个SFBBR每天运行两个周期，

在NOB抑制剂压力下的PNA性能

三个PNA反应器运行了112天，其性能变化如图1a-c所示。在阶段0，所有三个反应器都建立了良好的稳定氮去除性能，总无机氮去除效率（TINRE）始终高于75%。在PNA系统中，氮的去除主要是通过部分硝化和反硝化过程的耦合实现的，其中NH??-N被AOB部分氧化为NO??-N，随后转化为N?

结论

在0.5 mg/L PCMC和BZC的压力下，氮去除性能未受影响，NOB活性没有明显抑制。2 mg/L和5 mg/L的PCMC对NOB活性具有抑制作用，导致出水硝酸盐含量降低，PNA系统的TINRE提高。然而，2 mg/L的BZC没有抑制NOB活性，而5 mg/L的BZC破坏了PNA系统，导致氮去除功能丧失。功能基因表达分析进一步证实了PCMC的作用

CRediT作者贡献声明

张凯：撰写 – 审稿与编辑。王汉义：撰写 – 审稿与编辑。卢天毅：撰写 – 初稿编写、实验研究、数据分析、概念构思。高景峰：撰写 – 审稿与编辑、验证、监督、资源获取、概念构思。张金明：撰写 – 审稿与编辑。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。

致谢

我们感谢北京自然科学基金（24JL004）和国家自然科学基金（52470022, 52170016）对本研究的财政支持。