2022年12月國際環境領域著名期刊Water Research在線發表了我校環境與地理科學學院張永明教授團隊的最新研究成果“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化硝化反應)。本研究首次發現具強烈毒性的喹啉存在于硝化系統時，硝化污泥的生物活性會受到強烈抑制，但該抑制主要不是來自喹啉本身，而是來自于它的中間產物2-羥基喹啉。研究團隊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，進而加速硝化反應。為此，論文詳細地介紹了C. testosteroni和R. ruber是如何在有喹啉存在的情況下提高硝化反應速率的。Water Research是環境領域的頂級期刊，最新影響因子為13.400。按CiteScore排名，Water Research位列環境類期刊第一位。

摘要?看點

在我國，許多工業廢水經過一定程度的預處理后都會納入市政管網進入城市生活污水處理廠做進一步的處理。但現實中，因工業廢水的預處理系統出現故障或是設備泄漏等意外情況，一些有毒工業廢水會直接進入到城市污水處理系統，導致城市污水處理效率急劇下降甚至崩潰。因為硝化污泥對有毒污染物極為敏感，一旦“中毒”，就會導致其生物活性急劇下降甚至失活，而硝化污泥的失活將會造成重大的水處理事故。為此，如何通過生物方法來化解工業廢水的毒性，使城市生活污水的硝化反應正常進行是一個亟待解決的難題。本論文以喹啉為研究對象，模擬硝化污泥一旦遭遇喹啉時，通過加入C. testosteroni (睪丸酮叢毛單胞菌)和R. ruber (紅球菌)，來緩解喹啉的毒性以維持硝化反應的正常進行。

研究結果表明，當有喹啉存在時，硝化反應速率急劇下降了74%，其結果如圖1所示。但是，當C. testosteroni和R. ruber剛加入到硝化系統時，氨氮的去除速率和硝酸鹽氮的生成速率并沒有馬上得到提高(如圖2所示)。而是待喹啉的中間產物2-羥基喹啉經C. testosteroni和R. ruber的降解后，硝化反應才恢復到正常狀態。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。通過對比圖2和圖3，得到了本研究的重要發現，即抑制硝化反應的主要是喹啉的中間產物：2-羥基喹啉，而不是喹啉本身。

圖1. 當有喹啉存在時，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，硝化反應速率迅速提高。

圖3. 當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現就是，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)，其結果如圖4所示。即當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環境模擬與污染控制國家重點聯合實驗室開放基金(16K10ESPCT)和上海高校青年教師培養資助計劃(ZZssd20039)的資助。論文第一作者是我校環境科學與工程專業2019級博士研究生朱格同學，合作者包括美國工程院院士、斯德哥爾摩水獎獲得者、美國亞利桑那州立大學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：環境與地理科學學院）