《Process Safety and Environmental Protection》：Heavy rainfall alters molecular transformation of dissolved organic matters (DOM) in the wastewater treatment plant
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DOM组成动态及微生物降解抑制机制在重雨事件下的研究：通过EEM-PARAFAC、UV-Vis及FT-ICR-MS分析，发现重雨导致WWTP磷去除效率下降（2.3-2.9 mg/L超标），抑制微生物降解功能，使蛋白类DOM和胞外产物富集，DOM组装呈现生态中性模型特征，分子丰富度提升且形成热力学稳定磷化合物，需优化磷管理及微生物稳定性以应对气候变化。
崔云伟|文罗瑶|刘继宝|沈培红|魏远松|汉斯·赫尔曼·里奇诺|张俊雅
中国科学院生态环境科学研究院区域环境与可持续性国家重点实验室，北京100085，中国
摘要
强降雨事件日益挑战污水处理厂（WWTPs）的处理能力和运行稳定性，从而削弱了它们保护城市水生环境的韧性。然而，强降雨如何以及到何种程度影响污水处理过程和溶解有机物（DOM）的转化模式仍不甚明了。本研究在强降雨期间，结合激发-发射矩阵光谱法、紫外-可见光吸收法和傅里叶变换离子回旋共振质谱法（FT-ICR-MS）的分析，对一个全尺寸市政污水处理厂的溶解有机物（DOM）组成动态进行了表征。结果表明，强降雨抑制了微生物降解作用，导致类似蛋白质的DOM和可溶性微生物产物在处理单元中持续存在。这些效应反映了水力停留时间的减少和生物量的流失。尽管进水中总磷（TP）浓度被稀释（2.5–3.0 mg/L），但出水中总磷浓度（2.3–2.9 mg/L）仍超过了0.5 mg/L的排放标准，表明磷去除效率下降。FT-ICR-MS分析显示分子多样性增加，并形成了含有持久性磷的化合物，这些化合物具有更高的双键当量（DBE）和更低的吉布斯自由能，表明微生物降解性降低。此外，在强降雨期间，木质素和类脂质分子富集。生态建模证实了强降雨条件下DOM的随机组装，这通过对数正态物种丰度分布和与斯隆中性模型的良好拟合得到验证。分子特征（如N/C_wa、S/C_wa）比传统参数（如TOC、TP）更能有效解释降雨条件下的DOM组成变化。这些结果强调了在水文压力下，从生物结构驱动向特征介导的DOM随机组装的转变，强调了需要采取适应性污水处理策略的必要性，包括改进磷管理、持续监测DOM组成以及保持微生物韧性，以应对气候引起的干扰。
引言
溶解有机物（DOM）是一种复杂的、异质性的有机化合物混合物，包括蛋白质、碳水化合物、脂质、腐殖质和微生物副产物，在水碳循环和污水处理过程中起着关键作用（Hu等人，2022年）。在污水处理厂（WWTPs）中，DOM作为微生物代谢的关键活性底物，通过络合和吸附作用促进污染物传输，并影响出水质量和生态系统健康（Berg等人，2019年；Vizzo等人，2021年）。人为输入物，如人类排泄物、洗涤剂和食物残渣，在市政WWTPs中占主导地位，其中蛋白质和碳水化合物类成分易于生物降解，而类似腐殖质的物质则更难降解，并在出水中持续存在（Michael-Kordatou等人，2015年）。传统的生物处理方法，如活性污泥工艺，能有效去除易降解的蛋白质成分（>80%的去除率），但在消除类似腐殖质的化合物方面效率较低（Hu等人，2020年）。了解DOM动态对于优化WWTP性能和确保环境安全至关重要。
气候变化加剧了极端降水事件的频率和强度，给WWTP运行带来了重大挑战（Suchowska-Kisielewicz和Nowogoński，2021年）。强降雨通过多种途径改变进水中DOM的组成和处理动态。地表径流引入了土壤来源的腐殖质物质和植物残渣等陆地有机物，增加了难降解DOM的比例（Rubinato等人，2024年）。同时，城市雨水将多环芳烃（PAHs）和颗粒结合的有机污染物冲入污水系统（Neef等人，2022年）。强降雨期间的水力超负荷会稀释可降解的DOM，破坏污泥絮体的完整性，并导致生物量流失，将细胞内和细胞外的蛋白质富集物质释放到液相中（Shen等人，2024年）。这些过程导致DOM组成迅速变化，通常使出水中DOM浓度增加，尤其是类似蛋白质的荧光成分（Li等人，2025年）。此外，强降雨引起的径流引入了多种微生物类群，包括潜在的病原体（如Aliarcobacter、Aeromonas），可能会改变WWTP中的生物地球化学过程（Xin等人，2023年）。这些变化会降低处理效率，未经处理或部分处理的废水溢出会加剧对接收水体的风险（Wang等人，2022年）。尽管有这些影响，DOM多样性对强降雨的分子级响应仍知之甚少，限制了我们预测和增强WWTP在气候驱动的水文极端条件下的韧性的能力。
此外，应用生态模型，如物种丰度分布（SAD）和中性模型，为理解受强降雨影响的WWTPs中的DOM组装模式提供了有前景的框架。与微生物群落密切相关的DOM池可能反映了生物系统中观察到的生态模式，包括丰富和稀有的分子物种（Ma等人，2024年）。例如，SAD描述了少数优势物种和许多稀有类群或化合物的普遍存在，对数正态分布有效捕捉了稀有DOM成分的动态（Magurran和Henderson，2003年）。将DOM视为生物群落的类比，生态模型可以阐明强降雨如何影响DOM转化过程，如微生物降解或输入驱动的组成变化，从而增强我们对WWTP韧性的理解。这种方法提供了一种强有力的手段，来了解外部干扰（如强降雨）如何重塑DOM的生态组装，揭示生物过滤、选择性转化或热力学梯度的潜在故障。
为了解决这些知识空白，本研究调查了强降雨期间和之后全尺寸WWTP中DOM的分子动态和组装模式。通过结合高分辨率EEM-PARAFAC、紫外-可见光光谱法和FT-ICR-MS以及时间分辨采样，我们表征了处理单元间DOM组成的变化，并确定了这些变化的关键环境驱动因素。利用SAD和中性模型，我们进一步揭示了极端水文干扰下DOM的生态组装过程。我们的发现揭示了DOM转化的分子和生态机制，为提高WWTP系统在日益严重的水文干扰下的韧性提供了基本理解。
WWTP和采样策略描述
废水样本来自中国南宁的一个全尺寸市政污水处理厂（WWTP），采用厌氧-缺氧-好氧（A2/O）生物处理工艺。该WWTP的设计处理能力为6,000立方米/天，服务约123,600人口。进水主要由生活污水组成，在处理流程中设置了六个采样点：进水口（Inf）、厌氧池（Ana）、缺氧池（Ano）、好氧池（Oxi）等。
强降雨对WWTP水质的影响
2022年6月10日至13日的强降雨事件（前两天的日降水量分别为56.6毫米和58.3毫米）显著改变了WWTP的进水水和出水水质，主要通过稀释效应（表S1）。强降雨期间，进水中的总碳（TOC）和生化需氧量（sCOD）浓度显著下降，TOC从非降雨条件下的40.74 ± 3.95 mg/L（2022年7月28日至30日）降至6月10日的8.00 mg/L（p < 0.01）。同样，sCOD从132.67 ± 4.51 mg/L降至50.75 mg/L。
结论
本研究阐明了强降雨条件下全尺寸WWTP中DOM的分子转化途径和生态过程。主要结论如下：
•强降雨下的关键问题是磷去除失败，而非磷输入过多。尽管进水中磷浓度在风暴期间稀释了3-4倍，但出水中磷浓度仍超过2.3 mg/L，表明生物磷吸收能力受损。
•易降解DOM的生物降解显著受到抑制。
作者贡献声明
JYZ和YSW提出了研究思路并设计了综述框架。YWC和LYW撰写了初稿并绘制了图表。JYZ、JBL、PHS、YSW、HHR和JYZ审阅并修改了手稿。所有作者都阅读并批准了最终稿件。
作者贡献声明
魏远松：撰写——审阅与编辑。沈培红：撰写——审阅与编辑、验证、监督、项目管理、资金获取、数据管理、概念化。汉斯·赫尔曼·里奇诺：撰写——审阅与编辑、验证。崔云伟：撰写——初稿、方法学、调查、正式分析、数据管理。刘继宝：撰写——审阅与编辑、验证、方法学。文罗瑶：撰写——审阅与编辑
利益冲突声明
作者声明没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。
致谢
本工作得到了中国国家自然科学基金（42477403）、中国环境模拟与污染控制国家重点联合实验室（22Z02ESPCR）、广西重点研发计划（AB21196036）和南宁市重大科技项目（20213121）的支持。
利益冲突
作者声明与所描述的工作没有财务利益冲突。
