利用实时二氧化碳（CO?）监测技术，开发了一种固定化的微生物群落，以实现对对硝基苯酚（p-nitrophenol）的高效矿化作用和完全解毒处理

《Journal of Environmental Chemical Engineering》：Development of an immobilized microbial community for efficient mineralization and complete detoxification of p-nitrophenol using real-time CO 2 monitoring

p-硝基酚（PNP）生物降解技术及固定化微生物群落开发。通过梯度升高PNP浓度（至500 mg/L）结合NDIR CO?传感器实时监测矿物化进程，成功富集高耐受性（临界浓度485.4 mg/L）和高效降解能力（200/300 mg/L下矿化率2.5/3.3 mg/h）的微生物群落，优化了生物膜稳定性参数。

　　本研究探讨了如何通过结合矿物化监测与选择性富集策略，开发出一种具有高耐受性和强处理能力的固定微生物群落，以有效去除和矿化对硝基苯酚（PNP）这种高毒性、持久性的污染物。随着工业化和城市化的快速发展，农业活动的不可持续性也加剧了环境污染，特别是在水体中，有毒有机物的排放对水质和生态系统造成了重大威胁。传统的处理方法，如物理、化学和生物处理，往往存在诸如降解不完全、二次污染、处理成本高以及对环境变化敏感等问题，因此，全球范围内的研究正在寻求更高效、更经济且更环保的解决方案。

从可持续发展的角度来看，生物处理因其能够通过微生物活动矿化污染物而不产生二次污染而受到越来越多的关注。在众多生物处理候选者中，细菌因其较高的表面积与体积比，能够增强污染物的相互作用，并且能够形成具有韧性的生物膜，从而在恶劣环境中提高其生存能力。然而，当环境中存在高浓度的有毒化合物如PNP时，其活性常常受到抑制。PNP作为一种优先污染物，广泛被用作模型化合物，其高毒性使得常规的处理方法难以满足实际需求。一些研究显示，当PNP作为唯一碳源时，微生物颗粒无法形成，这表明其具有较强的抑制作用。因此，需要采取适应性策略来提高微生物的耐受性与生物降解能力。

尽管一些天然存在的细菌可以利用PNP作为唯一营养来源，但其低丰度和对环境波动的敏感性使得分离、富集和大规模培养变得困难。此外，虽然已经开发出一些基因工程菌用于高效降解PNP，但该方法受限于高成本、质粒不稳定以及严格的生物安全法规。而且，这些基因工程菌在实际环境中依赖特定条件，容易受到原生微生物群落的竞争影响，难以维持其活性和降解性能。因此，在实际废水处理中，使用天然或工程菌往往难以实现理想的处理效果。

在此背景下，对天然存在的微生物菌株进行适应性培养，以增强其对PNP的降解能力，被认为是一种可行且环保的策略。已有研究表明，适应性培养可以显著提高某些菌株的降解效率，特别是在高浓度PNP的环境中。微生物群落或混合培养相较于单一菌株，具有更高的稳定性，这主要归因于协同作用和对共存有毒物质的更强抗性。然而，使用自由细胞进行处理，由于其对环境压力的敏感性和可能的流失风险，限制了长期处理效果。因此，研究者们开始探索使用固定细胞的方法，以克服这些挑战。

本研究采用了更全面的监测技术，以评估PNP的完全矿化情况，并实现对高效降解微生物群落的选择性富集。我们使用了一种已经适应PNP的微生物群落，并在有氧条件下进行逐步增加的PNP浓度选择性富集过程。通过非分散红外（NDIR）传感器实时监测微生物活动产生的二氧化碳，从而准确评估矿化效率。同时，我们研究了操作参数，如生物量负载、初始PNP浓度、氧气供应、搅拌速度以及PNP溶液的基质组成，对矿化效率的影响，以优化条件，提高生物膜的稳定性与微生物活性。

此外，我们还采用了全长16S rRNA基因测序分析，以表征微生物群落的组成，从而深入了解在选择性富集过程中，微生物的分类组成、主导的PNP降解菌株以及群落的变化情况。这种策略不仅有助于选择具有完全矿化潜力或对高浓度有毒中间产物具有耐受性的菌株，还能够通过稳定的生物膜形成，保护PNP降解菌株免受高毒性环境的影响。

本研究的成功在于，通过结合矿物化监测与选择性富集策略，我们能够在逐步增加的PNP浓度（最高可达500毫克/升）下，开发出一种具有高耐受性和强处理能力的固定微生物群落。这种群落在高浓度PNP环境下仍能保持稳定，且降解效率较高。我们通过NDIR传感器实现了对矿化过程的实时、可视化监测，这为选择性富集和处理过程提供了更准确的评估手段。最终，我们发现，在选择性富集过程中，菌株*Arthrobacter* sp. JS-443的相对丰度从29.6%显著提高至55.9%，这表明该菌株在高浓度PNP环境下具有较强的适应能力。此外，该群落能够在200和300毫克/升的PNP浓度下保持稳定的矿化能力，平均矿化速率为2.5和3.3毫克/小时，且在42次连续运行中均表现出良好的性能。

为了确保生物膜的稳定性，我们对多个操作参数进行了优化，包括生物量负载、初始PNP浓度、氧气供应、搅拌速度以及PNP溶液的基质组成。这些参数的优化不仅有助于提高微生物的活性，还能够增强生物膜的结构稳定性，从而在长期运行中保持高效的处理能力。此外，我们通过微生物呼吸和植物毒性实验进一步确认了该群落对PNP的完全降解能力，这表明其不仅能够有效去除污染物，还能够降低其对环境的毒性影响。

在本研究中，我们还注意到，一些天然存在的菌株在形成生物膜时可能会影响其他菌株的生物膜形成。例如，*Brevibacterium* sp. PNP1（MH169212）、*Pseudomonas* sp. PNP2（MH169213）、*Agromyces mediolanus* PNP3（MH169214）和*Microbacterium oxydans* PNP4（MH169215）等菌株在选择性富集前曾作为自由细胞进行适应。虽然*Pseudomonas*菌属以其形成生物膜的能力而著称，但其他菌株是否能够形成稳定的生物膜仍存在不确定性。此外，*Brevibacterium casei*已被发现可以抑制*Pseudomonas aeruginosa*的生物膜形成，这表明可能存在拮抗作用。因此，在选择性富集过程中，某些菌株的存在可能影响了其他菌株的生物膜形成，进而导致降解性能在重复使用中下降。相比之下，一些研究已经成功采用原生微生物群落进行固定，然后再进行PNP的适应性培养。这种方法可以增强多样微生物群落的生物膜形成能力，同时自然地减少拮抗作用的影响。形成的生物膜可以在后续的适应过程中保护PNP降解菌株免受高毒性环境的影响。

本研究还借鉴了我们之前的研究成果，其中我们成功展示了通过固定食品加工废水中的多样微生物群落，并采用两阶段适应过程使用谷氨酸作为共基质，形成的PNP适应生物膜具有良好的稳定性。然而，与其他研究类似，我们之前的适应过程主要依赖于通过紫外-可见光谱测定残留PNP浓度，而没有评估完全矿化情况。因此，仅依赖于紫外-可见光谱监测可能会导致选择那些只能部分降解PNP（例如，分解在400纳米波长处吸收的显色基团）的菌株，而忽略了那些具有完全矿化能力或对高浓度有毒中间产物具有耐受性的菌株。结果，虽然我们之前研究中的适应群落在54次循环中能够稳定降解50毫克/升的PNP，但其关键底物浓度仍然较低，仅为54.74毫克/升，且最大耐受浓度仅为250毫克/升。

本研究旨在通过采用更全面的监测技术，克服这些局限，以实现对高效降解微生物群落的选择性富集。我们使用了一种已经适应PNP的微生物群落，并在有氧条件下进行逐步增加的PNP浓度选择性富集过程。通过实时监测微生物活动产生的二氧化碳，我们能够准确评估矿化效率。同时，我们研究了操作参数对矿化效率的影响，以优化条件，提高生物膜的稳定性与微生物活性。此外，我们还采用了全长16S rRNA基因测序分析，以表征微生物群落的组成，从而深入了解在选择性富集过程中，微生物的分类组成、主导的PNP降解菌株以及群落的变化情况。

本研究还强调了固定微生物群落在实际废水处理中的重要性。与自由细胞相比，固定细胞能够在更长的时间内保持稳定，减少因环境压力或流失而导致的处理效果下降。通过形成稳定的生物膜，微生物群落能够增强其对高浓度PNP的耐受性，并在处理过程中保持较高的降解效率。此外，固定细胞还可以提高处理系统的操作稳定性，减少对环境条件的依赖，从而在实际应用中更具有可行性。

本研究的结果表明，通过结合矿物化监测与选择性富集策略，可以有效提高微生物群落对PNP的耐受性和处理能力。这种策略不仅有助于选择具有完全矿化能力或对高浓度有毒中间产物具有耐受性的菌株，还能够通过稳定的生物膜形成，保护PNP降解菌株免受高毒性环境的影响。此外，通过优化操作参数，可以进一步提高处理效率，确保生物膜的稳定性，从而在长期运行中维持较高的处理能力。

本研究还提出了一个更全面的处理策略，即在形成生物膜之前进行适应性培养。这种方法可以增强多样微生物群落的生物膜形成能力，同时减少拮抗作用的影响。形成的生物膜可以在后续的适应过程中保护PNP降解菌株免受高毒性环境的影响。此外，通过实时监测微生物活动产生的二氧化碳，我们能够准确评估矿化效率，从而实现对高效降解微生物群落的选择性富集。

本研究的成果对于解决高浓度PNP污染问题具有重要意义。通过采用更全面的监测技术，我们能够更准确地评估微生物的降解能力，并实现对高效降解微生物群落的选择性富集。这种方法不仅能够提高处理效率，还能减少处理成本，提高处理系统的操作稳定性。此外，通过形成稳定的生物膜，微生物群落能够在高浓度PNP环境下保持较高的降解能力，从而在实际应用中更具有可行性。

本研究的另一个重要发现是，某些天然存在的菌株在形成生物膜时可能会影响其他菌株的生物膜形成。因此，在选择性富集过程中，需要特别注意菌株之间的相互作用，以避免可能的拮抗作用影响处理效果。此外，通过优化操作参数，可以进一步提高处理效率，确保生物膜的稳定性，从而在长期运行中维持较高的处理能力。

本研究的成果表明，通过结合矿物化监测与选择性富集策略，可以有效提高微生物群落对PNP的耐受性和处理能力。这种策略不仅能够提高处理效率，还能减少处理成本，提高处理系统的操作稳定性。此外，通过形成稳定的生物膜，微生物群落能够在高浓度PNP环境下保持较高的降解能力，从而在实际应用中更具有可行性。本研究的结果为未来开发高效、稳定且环保的PNP处理系统提供了重要的技术支持和理论依据。