厭氧消化是一種將污泥中的有機物轉(zhuǎn)化為甲烷和二氧化碳的生物處理過程，對污泥減量化、穩(wěn)定化、無害化和資源化具有重要意義。厭氧消化主要包括溶出、水解、酸化和甲烷化過程，其中由于污泥外包裹胞外聚合物（EPS）而導(dǎo)致水解效率較低。此外，污泥中含有的新污染物也會對污泥生物資源化利用產(chǎn)生重要影響。
三氯生（TCS）是一種廣譜抗菌劑，但同時也是一種典型的內(nèi)分泌干擾物，被廣泛用于醫(yī)療和衛(wèi)生領(lǐng)域。COVID-19大流行期間，TCS的生產(chǎn)與消耗量增加，進而導(dǎo)致其在環(huán)境中的釋放量增加。TCS成為了水環(huán)境中的一種新污染物，對水生生態(tài)系統(tǒng)中的微生物活性產(chǎn)生了影響。TCS及其中間產(chǎn)物會對活性污泥中的硝化和反硝化過程產(chǎn)生顯著的不利影響，抑制微生物的硝化和反硝化性能，降低脫氮功能基因的豐度，導(dǎo)致微生物群落結(jié)構(gòu)上的差異。另外發(fā)現(xiàn)，TCS還會抑制活性污泥中微生物對磷酸鹽的去除效率，尤其是在長期接觸下，其會抑制聚磷菌（PAO）的生長繁殖。在污泥處理方面，Fan等報道TCS會通過提高產(chǎn)酸細(xì)菌的轉(zhuǎn)錄活性來促進污泥發(fā)酵產(chǎn)生短鏈脂肪酸（SCFA）。然而，關(guān)于TCS對污泥厭氧消化產(chǎn)甲烷的影響至今尚不清楚。此外，高溫厭氧消化因具有有機質(zhì)水解速率高、污泥減量效果顯著、對病原微生物殺滅能力強等優(yōu)勢，而得到廣泛關(guān)注。
鑒于此，筆者首先考察了TCS對污泥高溫厭氧消化產(chǎn)甲烷的影響，然后研究了TCS暴露對污泥內(nèi)有機質(zhì)生物轉(zhuǎn)化特征的影響，之后分析了TCS對污泥高溫厭氧消化過程內(nèi)SCFA產(chǎn)量及組分占比的影響，最后通過分析微生物代謝功能及酶活性揭示了TCS影響污泥高溫厭氧消化的作用機制，以期豐富TCS的環(huán)境行為，并為含TCS污泥的資源化利用提供一定技術(shù)支撐。
1、材料與方法
1.1 實驗材料
實驗用污泥來源于某污水廠初沉池和二沉池的混合污泥，兩種污泥的混合比約為1∶2。污泥取回后靜置48h，去掉上清液后用于實驗。污泥的主要理化特性如下：pH為7.1，總懸浮固體（TSS）為13.2g/L，揮發(fā)性懸浮固體（VSS）為9.2g/L，NH4+-N為26.3mg/L，PO43--P為15.6mg/L，SCFA為35.6mg/L，溶解性COD（SCOD）為124.3mg/L。
接種污泥來源于某廚余垃圾厭氧消化罐，取回后經(jīng)0.45μm篩網(wǎng)過濾后備用。接種污泥的主要理化特性：pH為7.0，TSS為16.3g/L，VSS為13.2g/L。
實驗用TCS為分析純，購買自南京某醫(yī)藥公司，置于冰箱內(nèi)保存?zhèn)溆谩?/span>
1.2 實驗設(shè)置
實驗在5組相同的序批式反應(yīng)器（SBR）內(nèi)進行，每組做3個平行。SBR為PVC材質(zhì)的圓柱形反應(yīng)器，底部直徑為14cm，高為35cm，有效工作容積為5.0L。SBR內(nèi)配有機械攪拌器，在工作時控制轉(zhuǎn)速為250r/min，以保證接種物與消化底物充分接觸以及沼氣的釋放。SBR側(cè)面距離頂部10、20和30cm處分別設(shè)有采樣口（直徑為2.0cm）。首先，在各反應(yīng)器內(nèi)加入3.0L接種污泥和2.0L消化底物，并干式投加不同量的TCS，控制TCS含量分別為0、0.1、0.3、0.6和1.2g/kg（以TSS干質(zhì)量計）；然后，向各反應(yīng)器內(nèi)添加2.0mol/L的NaOH或HCl溶液以控制底物pH為7.0，并在消化過程中每隔12h調(diào)控一次pH，以排除pH對消化過程的影響；最后，向各反應(yīng)器充入高純度氮氣30s以排凈氧氣，并快速用橡膠密封盤封閉以保證厭氧條件。將上述SBR反應(yīng)器轉(zhuǎn)移至45℃水浴鍋內(nèi)進行厭氧消化實驗。相較于之前研究中的高溫消化溫度50~60℃，適當(dāng)降低消化溫度（如45℃）對消化系統(tǒng)影響不明顯，且能有效降低電耗。整個厭氧消化實驗持續(xù)30d，定期測定沼氣產(chǎn)量及有機質(zhì)的變化特性。
1.3 分析項目與方法
TSS、VSS、SCOD、NH4+-N等指標(biāo)采用國家標(biāo)準(zhǔn)方法測定；TCS采用高效液相色譜法測定；甲烷采用氣相色譜法測定；活性氧（ROS）和乳酸脫氫酶（LDH）的測定方法參見文獻；與厭氧相關(guān)的關(guān)鍵酶包括水解酶（蛋白酶、淀粉酶）、酸化酶（腺苷酸激酶AK）和輔酶F420，測定方法參見文獻。
2、結(jié)果與討論
2.1 TCS對污泥高溫厭氧消化產(chǎn)甲烷的影響
TCS對污泥高溫厭氧消化產(chǎn)甲烷的影響見圖1。
從圖1（a）可以看出，各組的甲烷產(chǎn)量隨消化時間的延長先升高后趨于穩(wěn)定。TCS的存在會影響污泥高溫厭氧消化，且影響程度與TCS含量密切相關(guān)。在對照組，最終累積甲烷產(chǎn)量為186.5mL/g，甲烷產(chǎn)量偏低，這可能是因為實驗用污泥為初沉池和二沉池污泥的混合物，混合污泥內(nèi)有機質(zhì)占比低。當(dāng)污泥中存在TCS時，甲烷產(chǎn)量會出現(xiàn)不同程度的下降，隨著TCS含量由0.1g/kg提高至1.2g/kg，最終累積甲烷產(chǎn)量由156.3mL/g下降至113.6mL/g。TCS作為一種抗菌劑，可能會影響污泥中的微生物活性，改變污泥的官能團及表面形態(tài)。此外，TCS可能對產(chǎn)甲烷菌具有直接毒害作用，導(dǎo)致這些微生物活性降低甚至死亡，進而影響甲烷的產(chǎn)生。
沼氣中甲烷和二氧化碳的比例對其熱值和后續(xù)利用價值有重要影響。如圖1（b）所示，在消化初期，消化底物充足，沼氣內(nèi)甲烷的體積占比較高，各組的甲烷占比均超過50%。污泥中TCS的存在降低了沼氣內(nèi)甲烷的體積占比，且TCS含量越高，甲烷體積占比下降越顯著。在30d時，對照組的甲烷體積占比為55.9%，而實驗組的甲烷體積占比下降至46.5%~53.8%，其中當(dāng)TCS含量為1.2g/kg時甲烷體積占比最低。TCS可能通過改變厭氧消化過程中的微生物群落結(jié)構(gòu)，尤其是減少氫營養(yǎng)型產(chǎn)甲烷菌的豐度，從而影響甲烷的產(chǎn)生，進而降低了甲烷在沼氣內(nèi)的占比。此外，TCS在光解作用下可轉(zhuǎn)化成二口惡英類物質(zhì)，這種轉(zhuǎn)化可能會對系統(tǒng)內(nèi)的微生物活動產(chǎn)生負(fù)面影響，進而影響甲烷的產(chǎn)生。
2.2 TCS對污泥溶出和水解過程的影響
水解過程被認(rèn)定為污泥厭氧消化的限速步驟，而SCOD的變化可客觀反映有機質(zhì)溶出過程。TCS對污泥高溫消化過程中SCOD濃度的影響見圖2。
由圖2可知，在對照組，SCOD濃度隨消化時間的增加先升高后趨于穩(wěn)定，第9天達到最大值1041mg/L，隨后保持在794~985mg/L。TCS的存在顯著提高了SCOD濃度，且TCS含量越高，SCOD濃度的升高越顯著，但是SCOD濃度達到最大值的時間出現(xiàn)了不同程度的延遲。當(dāng)TCS含量為0.1g/kg時，SCOD濃度最大值為1644mg/L，出現(xiàn)在第12天，在20d后的穩(wěn)定期內(nèi)SCOD濃度基本維持在1021~1425mg/L之間。而當(dāng)TCS含量為1.2g/kg時，SCOD濃度最大值為2249mg/L，顯著高于其他組，且在消化后期SCOD濃度穩(wěn)定在1491~1648mg/L之間。高含量的TCS提高了污泥高溫厭氧消化過程中SCOD的濃度，促進了水解過程，這為后續(xù)有機質(zhì)的進一步利用提供了便利條件。
圖3為TCS對污泥高溫厭氧消化過程中溶解性蛋白質(zhì)（SPN）和溶解性多糖（SPS）濃度的影響。
由圖3可知，與SCOD相似，TCS的存在同樣提高了SPN和SPS濃度。在第20天，對照組的SPN和SPS濃度分別為612和262mg/L，而實驗組的SPN和SPS濃度則分別提高至651~894mg/L和325~425mg/L。TCS的存在提高了發(fā)酵液中SPN和SPS的濃度，這有利于后續(xù)微生物的利用。在處理含TCS的污泥時，可將厭氧消化的步驟控制在水解過程，這樣可以獲得大量的可溶性有機質(zhì)。將獲得的水解液補充至污水處理廠進水，可以強化生物脫氮除磷過程。
厭氧消化是一種有效的污泥處理技術(shù)，通過VSS的減量化，不僅可以減少污泥處理的經(jīng)濟負(fù)擔(dān)，還可以帶來環(huán)境和社會效益。TCS對污泥高溫厭氧消化過程中VSS減量率的影響如圖4所示�？梢钥闯�，各組的VSS減量率均隨消化時間的增加而逐漸升高，且TCS的存在提高了VSS減量率。至消化后期，對照組的VSS減量率為31.2%，而隨著TCS含量由0.1g/kg增至0.6g/kg，VSS減量率由32.5%升至33.8%，進一步提高TCS含量至1.2g/kg，VSS減量率增加不明顯。VSS減量率提高的原因在于，TCS的存在增加了污泥發(fā)酵液中溶解性有機質(zhì)的含量，促進了有機質(zhì)由固相向液相的轉(zhuǎn)化，這有利于微生物的利用，從而使得部分可利用有機質(zhì)被厭氧微生物轉(zhuǎn)化為二氧化碳。
2.3 TCS對污泥酸化過程的影響
SCFA是污泥高溫厭氧消化過程的關(guān)鍵中間產(chǎn)物，其含量與組分對后續(xù)甲烷的產(chǎn)生至關(guān)重要。TCS對污泥高溫厭氧消化過程中SCFA產(chǎn)量的影響如圖5所示。各組的SCFA產(chǎn)量在消化前期急劇升高，而后緩慢上升，最后趨于穩(wěn)定。在消化前期急劇升高的原因在于有機質(zhì)充足，酸化微生物利用水解產(chǎn)物快速合成SCFA。5d后，存在TCS的實驗組中SCFA產(chǎn)量增長幅度低于對照組，原因在于TCS對酸化微生物產(chǎn)生了毒性抑制作用，且TCS含量越高，對酸化微生物的活性抑制越顯著。對照組中SCFA的最大產(chǎn)量為111.5mg/gVSS，而隨著TCS含量由0.1g/kg增至1.2g/kg，SCFA的最大產(chǎn)量由94.5mg/gVSS降至79.2mg/gVSS。TCS降低了酸化微生物的代謝活性，從而導(dǎo)致SCFA積累量下降。Fan等研究結(jié)果表明，高含量的TCS會降低SCFA產(chǎn)量，但是適量的TCS會提高SCFA產(chǎn)量。本研究結(jié)果與Fan等的研究結(jié)果存在差異，這是因為本研究中TCS含量較高，且所用污泥的有機質(zhì)含量較低。另外，污泥中的胞外聚合物（EPS）和蛋白質(zhì)等有機組分對TCS具有吸附作用，增加了TCS與微生物細(xì)胞的接觸機會，進而加劇了對酸化微生物的毒害作用，最終導(dǎo)致SCFA的積累量降低。
圖6進一步展示了TCS對不同時期SCFA主要組分占比的影響�？梢钥闯�，在消化前期，戊酸鹽和丁酸鹽占比較高，其次是乙酸鹽。丁酸鹽占比較高說明污泥厭氧發(fā)酵前期的類型為丁酸型發(fā)酵。與第10天相比，第20天各反應(yīng)器內(nèi)乙酸鹽占比顯著提升，說明高分子羧酸逐漸被降解而生成小分子乙酸。TCS的存在會影響SCFA組分的占比。在20d時，對照組中乙酸鹽占比高達31.2%，而存在TCS的實驗組中乙酸鹽占比下降至26.5%~30.3%，且基本呈現(xiàn)出TCS含量越高則乙酸鹽占比越低的趨勢。但是，TCS提高了實驗組中丙酸鹽的占比，對照組中丙酸鹽占比為23.6%，而當(dāng)TCS含量分別為0.6、1.2g/kg時，丙酸鹽占比分別提高至26.5%和24.9%。此外，隨著消化時間的增加，各組中戊酸鹽占比逐漸下降，這與其降解相關(guān)。乙酸是產(chǎn)甲烷過程中首選的底物，而丙酸和丁酸的代謝需要更多的能量，因此丙酸和丁酸等在SCFA中的占比過高時可能會抑制甲烷的產(chǎn)生。因此，TCS提高了SCFA中丙酸鹽占比但降低了乙酸鹽占比也是導(dǎo)致實驗組中甲烷產(chǎn)量下降的原因之一。
2.4 TCS對微生物代謝活性的影響
在污泥厭氧消化過程中，ROS通常由微生物代謝過程中的氧化應(yīng)激反應(yīng)產(chǎn)生，ROS的水平升高會損傷細(xì)胞膜，增加細(xì)胞膜的通透性，導(dǎo)致細(xì)胞內(nèi)容物包括LDH的釋放。過量ROS和LDH的釋放會抑制厭氧微生物的代謝活性。TCS對污泥高溫厭氧消化過程中ROS和LDH釋放量的影響如圖7所示�？芍�，TCS促進了ROS和LDH的釋放，且TCS含量越高，ROS和LDH的釋放量越大。例如，在第10天，TCS含量為1.2g/kg的實驗組中，ROS和LDH的相對釋放量分別為118.5%和131.2%，遠高于對照組。過量的ROS和LDH會損傷微生物的細(xì)胞結(jié)構(gòu)，包括蛋白質(zhì)、脂質(zhì)和DNA等，導(dǎo)致細(xì)胞功能障礙甚至死亡，最終導(dǎo)致甲烷產(chǎn)量下降。因此，TCS暴露導(dǎo)致ROS和LDH過量釋放也是污泥厭氧消化效率下降的原因之一。
2.5 TCS對厭氧消化關(guān)鍵酶活性的影響
厭氧消化關(guān)鍵酶包括水解酶（蛋白酶和淀粉酶）、酸化酶（AK）及產(chǎn)甲烷酶（輔酶F420）。上述關(guān)鍵酶在污泥厭氧消化過程中的協(xié)同作用，使得復(fù)雜的有機物能夠轉(zhuǎn)化為甲烷和二氧化碳，釋放能量并減少廢物的體積。各種酶都有其特定的功能和作用，是污泥厭氧消化過程中不可或缺的組成部分。TCS對關(guān)鍵酶活性的影響見圖8�？梢钥闯觯�TCS對各種酶的影響呈現(xiàn)顯著差異。TCS促進了水解相關(guān)酶的活性，且呈現(xiàn)TCS含量越高則水解酶相對活性越強的趨勢，這與圖2中TCS提高了SCOD濃度的結(jié)果相一致。但對于酸化和甲烷化過程關(guān)鍵酶，TCS的存在則降低了其相對活性，尤其是輔酶F420。在TCS含量為1.2g/kg的實驗組中，輔酶F420的相對活性下降至31.2%，遠低于其他組。TCS可直接與酶的活性位點結(jié)合，如必需氨基酸殘基或輔因子，導(dǎo)致酶活性下降。研究證實，TCS會破壞細(xì)胞結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致細(xì)胞內(nèi)外環(huán)境失衡，從而影響細(xì)胞內(nèi)酶的穩(wěn)定性和活性。外源性TCS可能會影響微生物的基因表達，導(dǎo)致關(guān)鍵酶的合成減少，或者誘導(dǎo)產(chǎn)生能夠分解/轉(zhuǎn)化污染物的新型酶。TCS降低厭氧消化關(guān)鍵酶的活性也是導(dǎo)致甲烷產(chǎn)量下降的關(guān)鍵原因。
3、結(jié)論
①TCS會降低污泥高溫厭氧消化過程中的甲烷產(chǎn)量，當(dāng)TCS含量為1.2g/kg時，甲烷產(chǎn)量僅為113.6mL/g。同時，TCS會降低沼氣中甲烷的體積占比，且TCS含量越高，甲烷體積占比下降越顯著。
②TCS會影響污泥高溫厭氧消化過程中有機質(zhì)的生物轉(zhuǎn)化特征，TCS的存在提高了SCOD、SPN和SPS的濃度以及有機質(zhì)的減量率，但降低了SCFA產(chǎn)量，且TCS含量越高，SCFA產(chǎn)量下降越明顯。另外，TCS的存在提高了SCFA中丙酸鹽的占比但降低了乙酸鹽的占比。
③TCS促進了污泥高溫厭氧消化過程中ROS和LDH的釋放，增加了其對微生物的破壞作用。TCS降低了酸化和甲烷化過程關(guān)鍵酶，進而降低了甲烷產(chǎn)量。（來源：黃河水利職業(yè)技術(shù)學(xué)院環(huán)境工程學(xué)院，開封市水環(huán)境污染監(jiān)測工程技術(shù)研究中心，中山大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院）
