基于荧光光谱技术的改良Ludzack-Ettinger污水处理系统中人类相关病原体去除效率与实时监测研究

本研究针对污水处理系统中人类相关病原体（HaPs）去除效率监测的难题，创新性地结合荧光激发发射矩阵（FEEM）技术与分子生物学方法，系统评估了改良Ludzack-Ettinger（MLE）工艺对SARS-CoV-2、crAssphage和总大肠菌群的阶段式去除效能。研究发现MLE联合UV消毒可实现99.9%的病原体去除率，并首次证实FEEM信号与出水病原体浓度显著相关（R=0.73），为污水流行病学（WBE）提供了低成本实时监测工具。

　　

在全球新冠疫情持续演变的背景下，污水流行病学（Wastewater-Based Epidemiology, WBE）作为社区级病原体监测的新兴手段正受到空前关注。然而现有研究多聚焦于进水监测，对污水处理全流程中人类相关病原体（Human-associated Pathogens, HaPs）的去除机制缺乏系统认知。更关键的是，传统分子检测方法成本高、耗时长，难以满足实时监测需求。这些瓶颈严重制约了WBE在公共卫生预警中的应用价值。

韩国国立环境科学研究院（National Institute of Environmental Research, Republic of Korea）的研究团队创新性地将荧光光谱技术与分子生物学方法相结合，对采用改良Ludzack-Ettinger（MLE）工艺的市政污水处理系统展开深入研究。这项发表在《Journal of Hazardous Materials Advances》的重要工作，不仅首次实现了对SARS-CoV-2、crAssphage和总大肠菌群三类标志性HaPs的全程定量追踪，更开创性地建立了荧光信号与病原体浓度的相关性模型，为低成本实时监测提供了全新解决方案。

研究团队采用多技术联用策略：通过为期239天的纵向采样（2023年12月至2024年7月），在污水处理厂的进水（INF）、生物反应器（MLE）和出水（EFF）三阶段采集65份样本；运用RT-qPCR和RT-LAMP检测病毒载量，结合FEEM光谱解析溶解性有机物（DOM）特征；采用主成分分析（PCA）和多元线性回归模型揭示HaPs与22项水质参数的关联规律。

污水处理效能分析

数据显示MLE系统对SS、BOD和TP的去除率高达99.7%，显著优于传统工艺。特别值得注意的是，尽管进水污染物浓度是同类研究的3.9-11.6倍，其脱氮效率仍超出常规工艺25.7%，这得益于MLE特有的缺氧-好氧循环设计。

DOM特征演变

FEEM-PARAFAC模型解析出蛋白类（T₁峰）和腐殖质类（A峰）两大DOM组分。随着处理进程，荧光指数（FI）从进水的2.15降至出水的0.95，而腐殖化指数（HIX）从0.05升至0.18，表明微生物源有机物逐步转化为稳定结构。特别发现色氨酸样荧光（TLF）与crAssphage浓度高度相关（R=0.82），这为病原体示踪提供了特异性标记。

HaPs去除动力学

MLE联合UV消毒对SARS-CoV-2、crAssphage和总大肠菌群的去除率分别达99.9%（LRVs 2.39）、98.5%（LRVs 2.16）和99.9%（LRVs 3.62）。值得注意的是，总大肠菌群在生物反应器中出现增殖现象（从6.31升至7.66 log₁₀ mpn L^-1），揭示活性污泥环境可能成为病原菌"避难所"。

实时监测可行性验证

研究最具突破性的发现是FEEM信号与出水HaPs的强相关性（R=0.73, p<0.001）。蛋白类组分与crAssphage的特定关联，以及SUVA₂₅₄（比紫外吸光度）对病毒去除的指示作用，为建立光学传感预警系统提供了理论依据。相比传统RT-qPCR，虽然RT-LAMP检测速度提升3倍，但其在低病毒载量下的灵敏度局限（R2=0.04）提示仍需方法优化。

这项研究通过多学科交叉方法，首次绘制出MLE系统中HaPs的全程去除图谱，其创新价值体现在三方面：技术层面，证实FEEM可作为HaPs的实时替代指标；应用层面，为分布式WBE监测网络提供可扩展方案；理论层面，揭示DOM组分与病原体的共转运机制。特别是发现UV消毒对吸附于胶体颗粒的病毒RNA具有特异灭活效果，这对优化消毒工艺具有重要指导意义。随着全球对污水监测重视度提升，这项研究建立的方法框架有望成为新一代环境病原体预警系统的技术标准。