三氯卡班（TCC）是一種光譜類抗菌劑，其已成為環(huán)境中檢出頻率較高的一類污染物。TCC在水中難降解，且其具有生態(tài)毒性，因此對(duì)生態(tài)環(huán)境構(gòu)成潛在威脅。TCC具有中度疏水性和親脂特性，其在污水生物處理過(guò)程中會(huì)吸附在污泥等懸浮固體上進(jìn)而影響污泥內(nèi)微生物的活性行為及功能基因表達(dá)。TCC能抑制人類和動(dòng)物的生長(zhǎng)發(fā)育，Kajta等將神經(jīng)元細(xì)胞暴露于TCC24h后，ESR1和GPER1的mRNA及蛋白質(zhì)表達(dá)受到不同程度的抑制。近年來(lái)，關(guān)于TCC在污水處理中的影響行為及效應(yīng)得到了廣泛關(guān)注。
污水處理廠是污水進(jìn)入自然環(huán)境的最后一道屏障。Wang等報(bào)道了以長(zhǎng)沙為代表的中國(guó)中部地區(qū)的5座污水處理廠內(nèi)TCC濃度高達(dá)0.06~0.76mg/L。Wang等調(diào)查活性污泥法去除TCC時(shí)發(fā)現(xiàn)，TCC的去除主要依賴活性污泥的吸附行為，且TCC降低了活性污泥對(duì)營(yíng)養(yǎng)鹽的去除效果。此外，經(jīng)過(guò)活性污泥處理后，TCC的生態(tài)毒性降低，IC50降低至0.54mg/L，TCC還會(huì)影響活性污泥群落中硝化細(xì)菌和反硝化細(xì)菌的豐度。進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)，反硝化細(xì)菌主要通過(guò)非均相多層吸附去除TCC，且活性污泥內(nèi)羥基、酰胺和多糖是吸附位點(diǎn)。在酶活性抑制方面，TCC能抑制生物脫氮（BNR）過(guò)程中氨單加氧酶（AMO）、硝酸還原酶（NAR）和亞硝酸鹽還原酶（NIR）的活性。N2O是活性污泥反硝化脫氮過(guò)程釋放的溫室氣體，而TCC的暴露對(duì)生物反硝化脫氮的影響行為及N2O釋放特征的研究仍較匱乏。因此，有必要考察TCC暴露對(duì)活性污泥反硝化脫氮及N2O釋放的影響，并闡釋其中的機(jī)制。
筆者考察了TCC對(duì)生物反硝化脫氮系統(tǒng)運(yùn)行效能及N2O釋放特征的影響。首先，研究TCC濃度對(duì)反硝化系統(tǒng)運(yùn)行效能及N2O釋放特征的影響；隨后，分析了TCC對(duì)反硝化脫氮系統(tǒng)中污泥特征的影響；最后，探討了TCC暴露對(duì)反硝化系統(tǒng)中微生物代謝活性的影響。旨在為反硝化脫氮系統(tǒng)處理含TCC廢水提供一定的數(shù)據(jù)支撐，并為溫室氣體的減排提供理論依據(jù)。
1、材料與方法
1.1 實(shí)驗(yàn)材料
接種污泥來(lái)源于城鎮(zhèn)污水處理廠二沉池，該污水廠主要采用好氧/厭氧工藝處理城鎮(zhèn)低C/N污水。取回后的接種污泥采用2.0mm篩網(wǎng)過(guò)濾后備用。接種污泥的主要特征如下：pH為7.1，總懸浮固體（TSS）為4.2g/L，揮發(fā)性懸浮固體（VSS）為3.8g/L，胞外聚合物（EPS）為79.5mg/g。
實(shí)驗(yàn)用水為不含TCC的人工合成污水，合成污水中碳源和氮源分別由丙酸鈉和氯化銨提供，且COD濃度為500mg/L、NH4+-N濃度為200mg/L。進(jìn)水NO2--N和NO3--N濃度可以忽略。此外，向人工合成污水中添加2.0mL/L的微量元素儲(chǔ)備液，微量元素儲(chǔ)備液的主要構(gòu)成如下：1.50g/L的FeCl3·6H2O、0.15g/L的CoCl2·6H2O、0.15g/L的H3BO3、0.12g/L的MnCl2·4H2O、0.12g/L的ZnSO4·7H2O、0.06g/L的Na2MoO4·2H2O、0.03g/L的KI和0.03g/L的CuSO4·5H2O。
TCC購(gòu)買于上海某生物醫(yī)藥有限公司，購(gòu)買后的TCC存貯于恒溫冰箱內(nèi)，并將0.5g的TCC置于1.0L的純凈水中，配制成濃度為500mg/L的TCC母液。TCC的純度超過(guò)98%，相對(duì)密度為1.534，熔點(diǎn)為254~256℃。
1.2 實(shí)驗(yàn)方法
實(shí)驗(yàn)設(shè)置4組相同的序批式反應(yīng)器（SBR），有效工作容積為5.0L，反應(yīng)器底部設(shè)有機(jī)械攪拌裝置，工作時(shí)控制轉(zhuǎn)速為200~1500r/min。SBR側(cè)面設(shè)有進(jìn)、排水口，直徑為2.0cm。每組反應(yīng)器內(nèi)引入2L接種污泥和3L合成污水。鑒于TCC在實(shí)際污水中的背景濃度和文獻(xiàn)推薦值，以及未來(lái)TCC生產(chǎn)與消耗量的不斷增加，TCC在水環(huán)境尤其是污水中的背景濃度將持續(xù)增加，因此實(shí)驗(yàn)中選取的TCC濃度分別為1、5和10mg/L。其中一組反應(yīng)器不注入TCC母液，將其作為對(duì)照組。SBR每日運(yùn)行3個(gè)周期，每個(gè)周期的具體運(yùn)行模式如下：快速進(jìn)水2min、缺氧118min、好氧曝氣150min、沉淀出水30min和閑置180min。在好氧末期排泥64mL以保證污泥停留時(shí)間為18d。各組SBR在室溫為31~35℃的恒溫空調(diào)房?jī)?nèi)運(yùn)行，每個(gè)周期的體積交換率為66%。
1.3 分析項(xiàng)目及方法
按標(biāo)準(zhǔn)方法測(cè)定COD、NH4+-N和TN濃度。采用N2O-NP®微傳感器測(cè)定N2O濃度，并根據(jù)上述方法計(jì)算N2O總排放量，進(jìn)而計(jì)算N2O的釋放速率。采用ROS試劑盒檢測(cè)活性氧（ROS）和乳酸脫氫酶（LDH）釋放量。毛細(xì)吸水時(shí)間（CST）通過(guò)CST測(cè)定儀測(cè)定。污泥的TSS、VSS、SVI等指標(biāo)參照文獻(xiàn)測(cè)定。EPS采用熱提取法檢測(cè)，具體流程如下：將50mL污泥樣品離心（550r/min）15min，然后將0.01mol/L的NaCl加入樣品中洗滌1~2次，去除上清液后，添加0.01mol/L的NaCl使污泥懸浮至50mL，蛋白質(zhì)（PN）采用改良的勞利法測(cè)定，多糖（PS）采用苯酚硫酸法測(cè)定。
2、結(jié)果與討論
2.1 TCC對(duì)反應(yīng)器性能的影響
圖1為TCC對(duì)BNR系統(tǒng)中COD和含氮物質(zhì)去除效果的影響�？梢钥闯觯蜐舛�TCC（1mg/L）未對(duì)COD、NH4+-N和TN的去除效果產(chǎn)生顯著影響，穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)期，對(duì)照組和1mg/LTCC組別中COD、NH4+-N和TN的去除率均維持在86.6%~89.9%、95.2%~96.8%和74.2%~76.8%。當(dāng)TCC濃度達(dá)到5mg/L以上時(shí)，COD和TN去除率明顯下降。而當(dāng)TCC濃度達(dá)到10mg/L時(shí)，對(duì)NH4+-N的去除效果才受到抑制。當(dāng)TCC濃度為10mg/L時(shí)，對(duì)COD、NH4+-N和TN的去除率分別降至80.6%~82.3%、90.8%~92.5%和64.4%~65.2%。上述結(jié)果表明，TCC對(duì)污染物和營(yíng)養(yǎng)鹽的去除與其劑量相關(guān)，高濃度TCC抑制了反硝化系統(tǒng)對(duì)COD、NH4+-N和TN的去除。在污染物去除方面，TCC抑制活性污泥去除污染物的機(jī)制包括直接抑制微生物活性、影響微生物群落結(jié)構(gòu)以及通過(guò)耦合反應(yīng)降低污泥中TCC的富集等。
在生物脫氮方面，Zhang等證實(shí)TCC會(huì)對(duì)脫氮微生物產(chǎn)生負(fù)面影響，當(dāng)TCC濃度達(dá)到25μg/L時(shí)會(huì)阻礙反硝化作用，并且在濃度達(dá)到50μg/L時(shí)可完全抑制該過(guò)程。本實(shí)驗(yàn)中，當(dāng)TCC濃度達(dá)到1mg/L時(shí)仍未對(duì)生物脫氮產(chǎn)生抑制作用的原因在于選用的接種污泥富含混合菌，而Zhang等所采用的為純菌ParacoccusdenitrificansPD1222。因此，在傳統(tǒng)反硝化活性污泥中，接種物為混合菌群時(shí)，低于1mg/L的TCC未能影響COD和生物脫氮過(guò)程，而當(dāng)超過(guò)5mg/L時(shí)則降低了COD和生物脫氮效率。
2.2 TCC對(duì)N2O釋放特征的影響
在生物反硝化過(guò)程中也會(huì)產(chǎn)生N2O，其是一種比CO2具有更強(qiáng)溫室效應(yīng)的氣體。N2O的排放不僅對(duì)氣候變化有顯著影響，還參與臭氧層的破壞，會(huì)對(duì)環(huán)境和人類健康構(gòu)成威脅。圖2為TCC對(duì)反硝化脫氮過(guò)程中N2O釋放速率的影響�？梢钥闯�，TCC提高了N2O的釋放速率。當(dāng)TCC濃度達(dá)到5mg/L以上時(shí)，N2O釋放速率顯著提高，尤其是10mg/L的TCC組別，其N2O釋放速率提高至8.9~10.2μg/min，顯著高于對(duì)照組在穩(wěn)定時(shí)期的6.1~6.8μg/min。TCC可能抑制反硝化過(guò)程中的關(guān)鍵酶，如亞硝酸鹽還原酶（NIR）和一氧化氮還原酶（NOR），導(dǎo)致N2O不能被有效還原為氮?dú)�，從而增�?/span>N2O的釋放。此外，還發(fā)現(xiàn)TCC的存在可能會(huì)改變反硝化系統(tǒng)中微生物的群落結(jié)構(gòu)，選擇性地促進(jìn)或抑制某些微生物的生長(zhǎng)，進(jìn)而影響N2O的產(chǎn)生和釋放。
2.3 TCC對(duì)反硝化污泥特征的影響
TCC對(duì)反硝化污泥濃度及有機(jī)質(zhì)占比的影響如圖3所示。可以看出，低濃度TCC未對(duì)反硝化污泥濃度及有機(jī)質(zhì)占比產(chǎn)生顯著影響。穩(wěn)定時(shí)期，對(duì)照組和低濃度TCC組別的TSS濃度和有機(jī)質(zhì)占比分別為4.15~4.32g/L和75.4%~78.5%。當(dāng)TCC濃度超過(guò)5mg/L時(shí)則降低了反硝化污泥濃度及有機(jī)質(zhì)占比，且存在TCC濃度越高，污泥濃度和有機(jī)質(zhì)占比下降越顯著的特點(diǎn)。當(dāng)TCC濃度為10mg/L時(shí)，穩(wěn)定時(shí)期TSS濃度下降至3.59~3.64g/L，有機(jī)質(zhì)占比下降至65.4%~67.6%。Wang等發(fā)現(xiàn)，高濃度TCC會(huì)降低活性污泥濃度，這與本實(shí)驗(yàn)結(jié)果一致。TCC具有抗菌特性，可能會(huì)直接抑制活性污泥中微生物的生長(zhǎng)和代謝活動(dòng)，導(dǎo)致微生物濃度下降。TCC可能會(huì)干擾微生物的代謝途徑，特別是與能量產(chǎn)生和物質(zhì)代謝相關(guān)的途徑，導(dǎo)致微生物生長(zhǎng)受阻，進(jìn)而影響污泥濃度。
圖4為TCC對(duì)反硝化污泥沉降及脫水性能的影響�？芍蜐舛�TCC未對(duì)污泥沉降和脫水性能產(chǎn)生顯著影響。在穩(wěn)定時(shí)期，對(duì)照組和低濃度TCC組別的SVI和CST分別為65.9~72.5mL/g和31.3~36.5s。TCC濃度達(dá)到5mg/L以上時(shí)可提高SVI并延長(zhǎng)CST，降低污泥的沉降和脫水性能，尤其當(dāng)TCC為10mg/L時(shí)，穩(wěn)定時(shí)期SVI和CST分別為89.6~92.5mL/g和45.6~48.5s。TCC是一種廣譜抗菌劑，會(huì)抑制污泥中微生物的生長(zhǎng)，這可能導(dǎo)致污泥中的微生物群落結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，影響其降解能力和穩(wěn)定性。此外，高濃度TCC會(huì)影響污泥的黏性和流變特性，從而影響其沉降性能。高濃度TCC組別的污泥沉降性能下降，導(dǎo)致部分污泥在沉淀出水期未能完全沉降，進(jìn)而隨排水流失，降低了污泥濃度，這與圖3中TSS的結(jié)果相一致。反硝化污泥的后續(xù)過(guò)程需要脫水外運(yùn)，高濃度TCC的暴露延長(zhǎng)了污泥CST，降低了污泥的脫水性能。TCC可能會(huì)改變污泥的結(jié)構(gòu)和性質(zhì)，導(dǎo)致污泥顆粒之間的聚集增多，從而增大了污泥的黏性和附著性，提高了污泥比阻和CST。高濃度TCC能促進(jìn)細(xì)胞外電荷的增加，進(jìn)而導(dǎo)致靜電斥力增強(qiáng)，污泥沉降性能下降。
EPS對(duì)污泥顆粒的黏附和膠結(jié)具有重要作用，可影響污泥的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性和沉降性。TCC會(huì)改變EPS的黏性和穩(wěn)定性，從而影響污泥結(jié)構(gòu)和沉降性。圖5為TCC對(duì)生物反硝化污泥中EPS含量及組分的影響。從圖5（a）可知，低劑量TCC組別的EPS含量與對(duì)照組相似，始終處于84.6~89.5mg/g之間，而高濃度TCC則提高了EPS含量，尤其當(dāng)TCC為10mg/L時(shí)，EPS含量增至112.3~115.8mg/g，遠(yuǎn)高于其他組別。當(dāng)污泥系統(tǒng)受到外源性污染物（如重金屬、有毒化學(xué)物質(zhì)、有機(jī)污染物等）的影響時(shí)，微生物會(huì)產(chǎn)生應(yīng)激反應(yīng)，增加EPS的分泌以形成保護(hù)層，減少污染物對(duì)細(xì)胞的直接傷害。此外，TCC可能會(huì)導(dǎo)致細(xì)胞膜損傷，微生物通過(guò)增加EPS的產(chǎn)生來(lái)修復(fù)受損的細(xì)胞膜，維持細(xì)胞結(jié)構(gòu)的完整性。
EPS的主要組分為PN和PS，TCC同樣影響了PN和PS的含量。從圖5（b）、（c）可以看出，當(dāng)TCC濃度為1mg/L時(shí)未對(duì)PN和PS含量產(chǎn)生顯著影響，但達(dá)到5mg/L以上時(shí)，TCC刺激了PN和PS分泌，且呈現(xiàn)出TCC暴露濃度越高PN和PS增加越顯著的趨勢(shì)。當(dāng)TCC濃度達(dá)到10mg/L時(shí)，PN和PS含量分別提高至58.6~61.2mg/g和46.5~48.2mg/g。TCC影響了污泥中信號(hào)分子的產(chǎn)生和傳遞，這些信號(hào)分子可以調(diào)節(jié)微生物的代謝活動(dòng)，包括EPS的合成與分泌。PN/PS值是EPS性能的關(guān)鍵參數(shù)，從圖5（d）可以看出，穩(wěn)定時(shí)期對(duì)照組和低TCC組別的PN/PS值均在1.6以上，而當(dāng)TCC濃度達(dá)到5mg/L以上時(shí)，PN/PS值顯著下降至1.2左右，且在穩(wěn)定期內(nèi)PN/PS值變化不明顯。TCC會(huì)影響微生物產(chǎn)生的信號(hào)分子，如�；呓z氨酸內(nèi)酯（AHLs），這些信號(hào)分子通過(guò)群體感應(yīng)（QS）系統(tǒng)調(diào)節(jié)EPS的合成，進(jìn)而影響PN和PS的分泌比例。
2.4 TCC對(duì)氧化應(yīng)激及細(xì)胞膜破壞的影響
圖6為TCC對(duì)反硝化污泥ROS和LDH相對(duì)釋放量的影響。可以發(fā)現(xiàn)，TCC能引起ROS釋放量的增加，且相對(duì)釋放量與暴露時(shí)間相關(guān)。20d時(shí)，當(dāng)TCC濃度為5和10mg/L時(shí)，ROS相對(duì)釋放量分別提高至105%和115%，LDH相對(duì)釋放量分別提高至116.5%和118.9%，說(shuō)明高濃度TCC會(huì)導(dǎo)致細(xì)胞損傷和死亡。當(dāng)暴露時(shí)間延長(zhǎng)至80d時(shí)，高濃度TCC存在下ROS和LDH的相對(duì)釋放量進(jìn)一步提高，如當(dāng)TCC濃度為10mg/L時(shí)，ROS和LDH的相對(duì)釋放量分別提高至124%和126%。外源性污染物尤其是有毒性污染物能夠誘導(dǎo)污泥中的微生物產(chǎn)生ROS，如超氧陰離子、羥基自由基等，這些ROS在微生物的應(yīng)激反應(yīng)和細(xì)胞損傷過(guò)程中具有重要作用。LDH是一種存在于細(xì)胞內(nèi)的酶，當(dāng)細(xì)胞膜受損時(shí)，LDH可以從細(xì)胞內(nèi)泄漏到外界環(huán)境，且細(xì)胞膜破損越嚴(yán)重，LDH釋放量越大。TCC在反硝化系統(tǒng)內(nèi)暴露時(shí)間越長(zhǎng)，對(duì)微生物細(xì)胞結(jié)構(gòu)的破壞越嚴(yán)重，進(jìn)而導(dǎo)致微生物反硝化代謝功能下降。
3、結(jié)論
①TCC對(duì)活性污泥反硝化脫氮性能具有劑量依賴性，當(dāng)TCC濃度在1mg/L及以下時(shí)，TCC暴露對(duì)污水生物脫氮及有機(jī)質(zhì)去除無(wú)顯著影響。當(dāng)濃度達(dá)到5mg/L以上時(shí)可降低反硝化污泥對(duì)COD和TN的去除效果，而當(dāng)濃度達(dá)到10mg/L時(shí)則明顯抑制對(duì)NH4+-N的去除效果。TCC濃度越高，對(duì)降碳脫氮效果的抑制越顯著。
②TCC能影響反硝化污泥特征，TCC達(dá)到5mg/L以上時(shí)會(huì)降低污泥濃度及有機(jī)質(zhì)占比。TCC可降低污泥沉降及脫水性能，促進(jìn)EPS的分泌，但會(huì)降低PN/PS值。
③TCC暴露刺激了反硝化系統(tǒng)內(nèi)ROS和LDH的釋放，影響了微生物代謝活性，且其濃度越高，反硝化系統(tǒng)內(nèi)ROS和LDH的釋放量越大。（來(lái)源：.黃河水利職業(yè)技術(shù)學(xué)院環(huán)境工程學(xué)院，開(kāi)封市水環(huán)境污染監(jiān)測(cè)工程技術(shù)研究中心，河南工程學(xué)院環(huán)境與生物工程學(xué)院）
