南京大学周东美团队ES&T：活性污泥污水处理过程中活性氧的产生及其潜在影响
图文摘要
成果简介
近日，南京大学环境学院周东美团队在环境科学领域期刊《Environmental Science & Technology》发表了题为“Production of Reactive Oxygen Species during Redox Manipulation and Its Potential Impacts on Activated Sludge Wastewater Treatment Processes”的研究论文（https://doi.org/10.1021/acs.est.4c11301）。在活性污泥污水处理过程（AS-WTPs）中，为了调节特定微生物群落的生长和提高污水的处理效率，通常会进行曝气来人为控制氧化还原电位或溶解氧（DO）浓度等氧化还原条件。该研究报道了AS-WTPs中活性氧（ROS）的产生过程，探究了ROS对污水中有机微污染物的降解，以及对元素生物/非生物转化的影响。结果表明，由于氧化还原操纵，AS-WTPs中ROS的产生是普遍的，产生的频率和能力取决于污水处理运行模式。氧化还原操纵过程中产生的ROS能促进有机微污染物（如磺胺甲恶唑和卡马西平）的降解。由于其较高的活性，ROS可以直接加速污泥中有机酚类物质和Fe(II)物种的非生物氧化。ROS还可以通过改变微生物群落组成和调节amoA、nrxA、nrxB等功能基因的相对表达来影响微生物硝化过程。
引言
ROS在氧化还原驱动的生物地球化学元素循环和污染物衰减中发挥着关键作用。氧化还原操纵在AS-WTP中是普遍且频繁的。然而，氧化还原操纵可能会诱导ROS的产生，从而影响AS-WTP中污染物的归趋和元素的转化。全球大多数污水处理厂都能检测到有机微污染物的存在，如药品和个人护理产品(PPCPs)。氧化还原操纵过程中产生的ROS可能对有机微污染物的降解起着重要的作用。此外，ROS还会攻击微生物细胞膜（如脂质和膜蛋白）和细胞内容物（如蛋白质和DNA）。因此，产生的ROS也可能会影响AS-WTPs中的微生物活性，改变微生物群落分布，进一步影响相关的生物化学过程。此研究探究了氧化还原操纵过程中普遍存在但以前被忽视的ROS产生过程，研究结果为AS-WTPs中的污染物去除以及生物/非生物元素转化提供了新的见解。
图文导读
AS-WTPs氧化还原操纵过程中ROS的产生。为了研究AS-WTPs氧化还原操纵过程是否可以触发ROS的生成，选取了三种具有代表性的AS-WTPs，包括厌氧/好氧的连续流反应器（A/O-CFR），好氧/缺氧的序批性反应器（O/A-SBR）和厌氧/缺氧的消化反应器（A/A-DR）。结果表明，活性污泥氧化还原条件的转变可以驱动ROS的生成，并且三种AS-WTPs基于不同的运行模式表现出不同的ROS生成节奏和能力。在A/O-CFR中连续的氧化还原转变可触发持续的ROS产生；而O/A-SBR和A/A-DR中ROS的产生则表现出周期性节奏，并且在三个运行循环中可持续的产生。鉴于AS-WTPs中氧化还原操纵是普遍且频繁的，ROS的产生在污水处理厂的运行过程中是普遍的，但以前一直被忽视。
图1. 在三个模拟的AS-WTPs氧化还原操纵过程中ROS的产生：（左侧）A/O-CFR，（中间）O/A-SBR，和（右侧）A/A-DR。（a-c）反应器设置和运行示意图，（d-f）DO和pH值的变化，（g-i）H2O2和 •OH的产生，（j-l）Fe(II)和酚羟基含量的变化。
氧化还原操纵过程中有机微污染物的降解。以两种代表性PPCP：卡马西平（CBZ）和磺胺甲噁唑（SMX）为模型污染物，研究了氧化还原操纵过程中产生的ROS对有机微污染物的降解。结果表明，在A/A-DR中曝气30分钟后，去除了63.7%和19.9%的SMX和CBZ。加入100 mM甲醇去淬灭•OH，CBZ和SMX的降解受到显著抑制，这表明•OH驱动着CBZ和SMX降解。在O/A-SBR和A/A-DR曝气过程中，通过质谱分析检测到了CBZ羟基化产物（m/z = 253.10）的形成，进一步证实了•OH的作用。重要的是，周期性生成的ROS有助于有机微污染物在多个运行循环中的持续降解。
图3. AS-WTPs氧化还原操纵过程中有机微污染物的降解。（a）SMX和（b）CBZ在A/A-DR曝气期间的降解；（c）SMX在A/A-DR中三个运行周期中的降解；（d）•OH降解CBZ的示意图；（e）O/A-SBR和（f）A/A-DR中CBZ及其羟基化产物的质谱。
ROS对AS-WTPs中元素转化的潜在影响。ROS的生成对氧化还原波动环境中的生物/非生物元素转化起着重要的影响。由于其较高的活性，AS-WTPs氧化还原操纵过程中产生的•OH和其他ROS可以促进污泥中有机酚类物质和Fe(II)矿物的氧化。蓝铁矿（vivianite, Fe3(PO4)2·8H2O）是厌氧污泥中常见晶态Fe(II)矿物，其具有氧化还原惰性，不易被氧化。然而，ROS可以促进蓝铁矿的氧化，使其转化为低结晶度的亚稳态铁相，加速了AS-WTPs中的Fe(III)/Fe(II)循环。
图4. 污泥中（a）有机酚类物质和（b）Fe(II)物种的氧化，以及（c）A2/O厌氧污泥的X射线衍射图。
之前的研究表明ROS是地下含水层中氨氧化微生物群落分布的关键因素，海洋中的氨氧化速率甚至可以被纳摩尔浓度的H2O2抑制。因此，在氧化还原操纵过程中产生的ROS可能会影响AS-WTPs中的微生物活性和相关的生化过程（例如硝化过程）。结果表明，通过添加ROS淬灭剂去除O/A-SBR缺氧活性污泥曝气过程中产生的ROS，导致了NH4+–N和NO2––N氧化速率的显著增加。这揭示了ROS对活性污泥中的硝化过程有不利的影响。与O2•–和•OH相比，H2O2不带电荷，相对稳定，能自由穿过细胞膜；因此，H2O2被认为是影响微生物N转化的主要ROS。通过外源性添加H2O2实验进一步验证了H2O2对硝化作用的影响。H2O2浓度超过50 μM（对于NO2––N）或100 μM（对于NH4+–N）就会影响O/A-SBR中污泥中的硝化速率。
16S rRNA分析表明曝气过程中产生的ROS可以显著改变O/A-SBR中活性污泥的微生物群落组成（PERMANOVA’s p< 0.05和Shannon index’s p < 0.01）。ROS导致硝化微生物的相对丰度显著降低，例如Nitrosomonas (p< 0.01)和Nitrospira (p< 0.05)，这可能是硝化速率降低的原因。此外，mRNA水平的qPCR分析结果显示，ROS显著降低了NH4+–N和NO2––N氧化相关功能基因的相对表达，包括amoA/AOA、amoA/AOB、nrxA和nrxB。这些结果进一步证实了AS-WTPs氧化还原操纵过程中产生的ROS通过影响微生物群落组成和功能基因的相对表达，在AS-WTPs元素生物转化中起重要作用。
图5. O/A-SBR缺氧污泥曝气阶段（a）NH4+–N和（b）NO2––N的氧化。（c）O/A-SBR中涉及硝化作用的功能基因的相对表达（mRNA）。
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小结
本文研究表明，由于氧化还原条件的操纵，AS-WTPs运行过程中ROS的产生是普遍的。AS-WTPs中的ROS生成根据其运行模式表现出不同的产生节奏和能力。产生的•OH能促进有机微污染物（如CBZ和SMX）的持续降解。由于较高的活性，活性污泥中产生的•OH和其他ROS促进了污水中元素的非生物转化，如Fe(II)物种，有机酚类物质和硫化物的氧化。ROS还可能会影响微生物群落分布和相关的生化过程（如硝化过程）。活性污泥中ROS的频繁和可持续生成可能是一种被低估的氧化力，它影响了污水中微生物群落组成、有机微污染物的降解以及AS-WTPs中的生物和非生物元素转化过程。
本研究受到国家自然科学基金（42130707, 22176091和42377010）等项目支持。
