Mn2+浓度梯度对垃圾渗滤液厌氧微生物胞外聚合物的双重调控机制及环境效应

针对垃圾渗滤液中Mn2+浓度波动影响厌氧处理效率的难题，研究人员通过构建厌氧序批式反应器（ASBR），结合三维荧光光谱、FTIR和XPS等多维分析技术，揭示了Mn2+对EPS组分（TB-EPS/LB-EPS）的浓度依赖性调控规律，阐明了其与C–N/C=O等功能基团的互作机制，为优化重金属离子在废水处理中的调控策略提供理论依据。

　　

垃圾渗滤液中锰离子（Mn²⁺）的浓度波动范围极大（0-1400 mg/L），而现有研究对其在厌氧生物处理中的双重作用机制尚未明晰。尤其当Mn²⁺与微生物胞外聚合物（Extracellular Polymeric Substances, EPS）——这道抵御重金属毒性的"分子防线"相遇时，其浓度依赖效应更成为优化废水处理工艺的关键盲点。更棘手的是，中国目前缺乏针对厌氧处理过程中Mn²⁺投加量的标准规范，这使得实际工程中常面临"促代谢"与"抑活性"的剂量平衡难题。

安徽高校联合团队在《Separation and Purification Technology》发表的研究，首次从EPS分子层面揭示了Mn²⁺的"双面刃"特性。研究者构建厌氧序批式反应器（ASBR），通过梯度添加Mn²⁺（0-600 mg/L），结合三维荧光光谱、傅里叶变换红外光谱（FTIR）和X射线光电子能谱（XPS）等先进表征技术，解码了Mn²⁺与EPS各组分的动态互作机制。

关键技术方法
实验采用污水处理厂厌氧污泥接种ASBR反应器，逐步驯化后处理实际垃圾渗滤液。通过测定化学需氧量（COD）去除率评估系统性能，采用热提取法分级提取紧密型EPS（TB-EPS）和松散型EPS（LB-EPS）。利用荧光光谱解析特征荧光团，FTIR追踪功能基团变化，二维相关光谱（2D-COS）揭示基团响应序列，XPS分析元素化学态转变。

研究结果

Mn²⁺对ASBR处理效能的影响
COD去除率呈现典型"低促高抑"现象：100-400 mg/L Mn²⁺使出水COD显著低于对照组，而500-600 mg/L则产生抑制。最佳促进浓度出现在200 mg/L附近，此时微生物活性达到峰值。

Mn²⁺对EPS化学组成的影响
TB-EPS中蛋白质在0-200 mg/L Mn²⁺时增加，更高浓度时下降；腐殖酸含量则持续降低。LB-EPS中蛋白质与腐殖酸均随Mn²⁺浓度递增，表明Mn²⁺促使微生物将更多代谢产物分泌至外层EPS。

三维荧光光谱特征
EPS主要含色氨酸类、复合类和腐殖类三类荧光团。TB-EPS以色氨酸类和复合类物质为主，LB-EPS以腐殖类物质主导。三类物质对Mn²⁺的响应敏感性排序为：腐殖类 > 色氨酸类 > 复合类。

FTIR与2D-COS分析
TB-EPS在1263 cm^?1（C–N键）出现蓝移，1710 cm^?1（C=O）和1125 cm^?1（C–O）峰强减弱，指纹区（600-900 cm^?1）峰形弱化，提示Mn²⁺与芳香结构发生作用。2D-COS显示LB-EPS中基团响应顺序为C–N > C–O > N–H > O–H，而TB-EPS中为N–H > O–H > C–N > C–O，反映两类EPS的空间构象差异。

XPS验证
200 mg/L以下Mn²⁺主要与EPS蛋白质的C–C/C–H键结合；超过200 mg/L时，微生物活性受抑导致蛋白质活性位点减少，削弱了Mn²⁺与碳基化学键的结合能力。

结论与意义
该研究首次系统阐释Mn²⁺通过重构EPS分子架构调控厌氧处理效能的机制：适度浓度（200 mg/L）下，Mn²⁺通过与TB-EPS的C–N/C=O等基团结合，优化微生物代谢网络；过量时则破坏LB-EPS的腐殖类物质屏障，导致毒性累积。这不仅为垃圾渗滤液处理中Mn²⁺的精准调控提供理论标杆，更开创了利用2D-COS解析重金属-EPS互作序列的新方法，对复杂废水体系中金属离子的环境行为预测具有普适价值。