2022年12月國(guó)際環(huán)境領(lǐng)域著名期刊Water Research在線發(fā)表了我校環(huán)境與地理科學(xué)學(xué)院張永明教授團(tuán)隊(duì)的最新研究成果“How Comamonas testosteroniand Rhodococcus ruber enhance nitrification in the presence of quinoline”(睪丸酮叢毛單胞菌和紅球菌如何在喹啉存在情況下強(qiáng)化硝化反應(yīng))。本研究首次發(fā)現(xiàn)具強(qiáng)烈毒性的喹啉存在于硝化系統(tǒng)時(shí)，硝化污泥的生物活性會(huì)受到強(qiáng)烈抑制，但該抑制主要不是來(lái)自喹啉本身，而是來(lái)自于它的中間產(chǎn)物2-羥基喹啉。研究團(tuán)隊(duì)利用所篩選出睪丸酮叢毛單胞菌(C. testosteroni)和紅球菌(R. ruber)加入到硝化活性污泥中加速喹啉和羥基喹啉的生物降解，進(jìn)而加速硝化反應(yīng)。為此，論文詳細(xì)地介紹了C. testosteroni和R. ruber是如何在有喹啉存在的情況下提高硝化反應(yīng)速率的。Water Research是環(huán)境領(lǐng)域的頂級(jí)期刊，最新影響因子為13.400。按CiteScore排名，Water Research位列環(huán)境類期刊第一位。

摘要?看點(diǎn)

在我國(guó)，許多工業(yè)廢水經(jīng)過(guò)一定程度的預(yù)處理后都會(huì)納入市政管網(wǎng)進(jìn)入城市生活污水處理廠做進(jìn)一步的處理。但現(xiàn)實(shí)中，因工業(yè)廢水的預(yù)處理系統(tǒng)出現(xiàn)故障或是設(shè)備泄漏等意外情況，一些有毒工業(yè)廢水會(huì)直接進(jìn)入到城市污水處理系統(tǒng)，導(dǎo)致城市污水處理效率急劇下降甚至崩潰。因?yàn)橄趸勰鄬?duì)有毒污染物極為敏感，一旦“中毒”，就會(huì)導(dǎo)致其生物活性急劇下降甚至失活，而硝化污泥的失活將會(huì)造成重大的水處理事故。為此，如何通過(guò)生物方法來(lái)化解工業(yè)廢水的毒性，使城市生活污水的硝化反應(yīng)正常進(jìn)行是一個(gè)亟待解決的難題。本論文以喹啉為研究對(duì)象，模擬硝化污泥一旦遭遇喹啉時(shí)，通過(guò)加入C. testosteroni (睪丸酮叢毛單胞菌)和R. ruber (紅球菌)，來(lái)緩解喹啉的毒性以維持硝化反應(yīng)的正常進(jìn)行。

研究結(jié)果表明，當(dāng)有喹啉存在時(shí)，硝化反應(yīng)速率急劇下降了74%，其結(jié)果如圖1所示。但是，當(dāng)C. testosteroni和R. ruber剛加入到硝化系統(tǒng)時(shí)，氨氮的去除速率和硝酸鹽氮的生成速率并沒(méi)有馬上得到提高(如圖2所示)。而是待喹啉的中間產(chǎn)物2-羥基喹啉經(jīng)C. testosteroni和R. ruber的降解后，硝化反應(yīng)才恢復(fù)到正常狀態(tài)。圖3表示的是C. testosteroni和R. ruber加入到硝化污泥之后，喹啉和2-羥基喹啉的降解情況。通過(guò)對(duì)比圖2和圖3，得到了本研究的重要發(fā)現(xiàn)，即抑制硝化反應(yīng)的主要是喹啉的中間產(chǎn)物：2-羥基喹啉，而不是喹啉本身。

圖1. 當(dāng)有喹啉存在時(shí)，氨氮去除速率和硝酸鹽生成速率都明顯降低。

圖2. 加入C. testosteroni和R. ruber后，待2-羥基喹啉降解后，硝化反應(yīng)速率迅速提高。

圖3. 當(dāng)C. testosteroni和R. ruber加入到硝化污泥后，喹啉和2-羥基喹啉的降解情況。

本研究的另一重要發(fā)現(xiàn)就是，將C.testosteroni和R.ruber分別加入到硝化污泥(NS)中可以明顯地富集Nitrospira (硝化螺旋菌)，其結(jié)果如圖4所示。即當(dāng)C.testosteroni和R.ruber分別加入到活性污泥后得到NS_C和NS_R，從圖4中可以看到Nitrospira的豐度增加了一倍多。由于Nitrospira具有完全氨氧化的功能，因此這也解釋清楚了為什么加入C. testosteroni和R. ruber可以提高硝化反應(yīng)速率。

圖4. 豐度位列前25的微生物群落分布

本論文得到清華大學(xué)環(huán)境模擬與污染控制國(guó)家重點(diǎn)聯(lián)合實(shí)驗(yàn)室開(kāi)放基金(16K10ESPCT)和上海高校青年教師培養(yǎng)資助計(jì)劃(ZZssd20039)的資助。論文第一作者是我校環(huán)境科學(xué)與工程專業(yè)2019級(jí)博士研究生朱格同學(xué)，合作者包括美國(guó)工程院院士、斯德哥爾摩水獎(jiǎng)獲得者、美國(guó)亞利桑那州立大學(xué)Bruce E. Rittmann教授等，張永明、李默老師為共同通訊作者。

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論文鏈接地址：https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0043135422014002?dgcid=author

DOI:https://doi.org/10.1016/j.watres.2022.119455

（供稿、圖片：環(huán)境與地理科學(xué)學(xué)院）