交流电生物电化学系统强化苯酚降解及悬浮/附着微生物群落响应机制研究

针对高浓度酚类污染物对微生物的抑制效应及传统直流电刺激的局限性，本研究构建交流电生物电化学反应器（AC-BER），通过优化频率（10 Hz）与电压（0.4 V）参数，显著提升苯酚降解速率（最高提升7.38倍）和微生物生物量（附着菌增长111.07%），并揭示Rhodanobacter、Comamonas等功能菌群富集及DNA/RNA聚合酶、解旋酶表达上调的分子机制，为强化难降解有机物处理提供新策略。

　　

随着工业废水排放量日益增加，其中高浓度酚类化合物因其生物毒性强、降解效率低，对生态环境和人类健康构成严重威胁。传统物理化学处理方法成本高昂且易产生二次污染，而生物降解技术虽环境友好，却面临高浓度苯酚抑制微生物活性的瓶颈。尤其在高浓度苯酚环境下，微生物代谢活性受抑制，导致降解效率骤降。为解决这一难题，研究人员尝试通过电化学刺激提升微生物性能，但直流电（DC）存在电极腐蚀、氧化层形成等问题，而低频交流电（LFV-AC）因能减少电极极化、维持酶活性、精准调控氧化还原环境等优势逐渐受到关注。然而，AC刺激对苯酚降解的强化效果及其对悬浮与附着微生物群落的差异化影响尚不明确。为此，Nan-xin Li等人在《Environmental Technology》发表研究，系统探讨了AC刺激对苯酚生物降解的增强机制及微生物群落响应规律。

本研究主要采用以下关键技术方法：

1. 1.

   构建单室交流电生物电化学反应器（AC-BER），以钛网为悬浮微生物电极、碳毡为附着微生物电极，采用正弦波交流电源（10 Hz/0.4 V为最优参数）并以12小时间歇模式供电；

2. 2.

   通过批次实验（苯酚浓度250-1200 mg/L）和连续实验（水力停留时间12小时）评估降解动力学、生物量变化及群落结构；

3. 3.

   利用16S rRNA测序分析悬浮微生物多样性及物种组成，宏基因组测序（Illumina NovaSeq 6000平台）解析附着微生物功能基因及酶活性；

4. 4.

   采用UV光谱法测苯酚浓度，pH/DO仪监测环境参数，MLVSS量化生物量，统计学分析采用ANOVA检验。

3.1 批次实验

3.1.1 苯酚生物降解

在800 mg/L苯酚浓度下，10 Hz 0.4 V（R5组）的降解速率常数比无电刺激组（R1）提高7.38倍，且高频（10 Hz）比低频（5 Hz）更显著促进降解。高浓度苯酚（1000-1200 mg/L）下所有反应器效率下降，但R4、R5仍保持较高活性。

3.1.2 悬浮微生物生物量

AC刺激对微生物生长产生分化效应：10 Hz组（R4、R5）生物量较R1增长31.79%-52.07%，而5 Hz组（R2、R3）生物量下降4.47%-19.26%，表明频率是影响微生物繁殖的关键因素。

3.1.3 微生物多样性

AC刺激降低了微生物多样性（Shannon指数降至3.46-3.74），但富集了酚降解功能菌。Chao1和ACE指数在R5.Su最高（181.88、179.10），说明0.4 V电压优化了群落丰度。

3.1.4 微生物群落结构

Proteobacteria为优势门（63%-77.1%），Rhodanobacter为优势属（相对丰度48.57%-60.43%），且0.4 V电压显著促进其富集。Leifsonia在R2、R5组增长7.06%-15.20%，证实AC刺激对酚降解菌的筛选作用。

3.2 连续实验

3.2.1 苯酚去除性能

在1000 mg/L苯酚浓度下，R5组平均去除率较无电组提高26.65%，且运行稳定性显著优于其他组，表明AC刺激缓解了高浓度苯酚的抑制效应。

3.2.2 生物量变化

800 mg/L时R5组衍生生物量增长33.34%，1000 mg/L时进一步增长190.61%，印证AC对微生物繁殖的促进作用。

3.2.3 附着微生物多样性

R5.At的Chao1（156）、Shannon（0.74）指数最低，表明功能菌高度富集，群落结构特异性增强。

3.2.4 微生物群落结构

Proteobacteria占主导（81.16%），R5.At中Rhodanobacter（15.39%）和Acidocella（12.74%）显著富集，二者均为耐酸型芳香化合物降解菌，与反应器低pH环境（平均pH 2.53）适配。

3.2.5 宏基因组分析

酶水平上，0.4 V电压促进酯键水解酶（EC:3.1.-）和肽酶（EC:3.4.-）表达，间接优化苯酚代谢环境；R5组中NADH:泛醌还原酶（EC:1.6.5.3）、DNA指导的RNA聚合酶（EC:2.7.7.6）、RNA解旋酶（EC:3.6.4.13）和DNA解旋酶（EC:3.6.4.12）显著富集，协同增强细胞能量代谢和基因转录效率。蛋白功能聚类显示，10 Hz 0.4 V组合显著富集氨基酸转运（E）、碳水化合物代谢（G）、辅酶运输（H）及RNA加工（A）等功能类别，全面优化微生物代谢网络。

结论与意义

本研究明确10 Hz 0.4 V为AC-BER强化苯酚降解的最优参数，该条件通过富集Rhodanobacter、Comamonas等功能菌属，上调关键酶基因表达，显著提升苯酚降解速率及微生物生物量。从应用角度，AC刺激解决了高浓度苯酚抑制微生物活性的难题，为煤化工、石油精炼等工业废水处理提供了能耗低、效率高的技术新路径；从机制层面，研究首次揭示AC刺激对悬浮/附着微生物群落的差异化调控规律，并通过宏基因组学解析了酶分子与代谢通路响应机制，为生物电化学系统的定向优化奠定了理论基础。