在序贯厌氧-好氧膜生物反应器（MBR）系统中有效处理含能源的废水——第二部分：微生物群落动态

《Chemosphere》：Effective treatment of energetic containing wastewater in a sequential anaerobic-aerobic membrane bioreactor (MBR) system - Part 2: Microbial community dynamics

两阶段厌氧-好氧膜生物反应器（MBR）有效处理含传统炸药（TNT、RDX、HMX）和 insensitive炸药（NQ、DNAN、NTO）及硝酸盐/氯酸盐的复杂军械废水，分析显示Pleomorphomonas spp.和Saccharimonadales在厌氧MBR占主导，好氧MBR以Proteobacteria为主，其中Beijerinckiaceae具有独特降解功能。系统长期运行（2.4年）表现出高抗逆性，微生物群落结构及功能基因（如xenA、xenB和硝酸盐单加氧酶）对进水变化敏感但整体稳定。

　　

Jinha Kim|Mark E. Fuller|Paul B. Hatzinger|Kung-Hui Chu

扎克里（Zachry）隶属于德克萨斯A&M大学土木与环境工程系，地址：美国德克萨斯州大学城，邮编77843

摘要

一种两阶段厌氧-好氧膜生物反应器（MBR）能够有效处理含有多种传统炸药（2,4,6-三硝基甲苯（TNT）、1,3,5-三硝基-1,3,5-三嗪（RDX）、八氢-1,3,5,7-四硝基-1,3,5,7-四唑嗪（HMX））以及不敏感炸药（硝基胍（NQ）、2,4-二硝基苯胺（DNAN）、3-硝基-1,2,4-三唑-5-酮（NTO）的合成和实际弹药成分废水，同时还能处理氧化剂高氯酸根（ClO₄^?）和硝酸盐。本文分析了厌氧和好氧MBR中的微生物群落动态。在厌氧MBR中，Pleomorphomonas属和Saccharimonadales目细菌占主导地位并建立了稳定的群落网络。高浓度的ClO₄^?促进了Pleomorphomonas、Propionibacteriaceae和Christensenellaceae菌群的生长；这些菌群在处理IMX-101（NQ、NTO、DNAN）废水时也表现出优异的性能。将MBR的主要碳源从果糖改为转化糖后，NQ的生物转化率提高，同时未知的Propionibacteriaceae菌群数量也有所增加。当实际使用IMX-104（RDX、NTO、DNAN）废水时，一种独特的Rhodococcus erythropolis菌株大量繁殖，并检测到高水平的xenA、xenB和硝基单加氧酶同源物，这些可能与其对不敏感炸药和RDX的降解作用有关。好氧MBR中Proteobacteria门细菌的比例较高，其中Beijerinckiaceae科最为常见，表明其在降解过程中起关键作用。添加NQ氧化菌株后，Reyranella属、Leucobacter属及未知的Beijerinckiaceae菌群数量增加，从而增强了NQ的降解效果。总体而言，微生物群落的变化主要受废水成分变化的影响，但MBR降解弹药成分的能力在即使某些成分缺失数周后重新加入的情况下仍得以保持。这证明了该双MBR系统的高韧性，为性能优化提供了参考。

引言

不敏感炸药（IHEs），包括硝基胍（NQ）、2,4-二硝基苯胺（DNAN）和3-硝基-1,2,4-三唑-5-酮（NTO），由于具有更高的抗冲击性和耐热性，正逐渐取代传统的2,4,6-三硝基甲苯（TNT）、1,3,5-三硝基-1,3,5-三嗪（RDX）和八氢-1,3,5,7-四硝基-1,3,5,7-四唑嗪（HMX）（Powell, 2016）。通过组合这些炸药与不敏感炸药，可以制造出新的不敏感弹药（IMX）配方（Lee et al., 2010）。例如，IMX-101由NQ、NTO和DNAN组成，而IMX-104则由RDX、NTO和DNAN混合而成（Chang and Johnson, 2014）。由于不敏感炸药的物理化学性质（如更高的溶解度），其处理带来了挑战。

弹药成分可能通过军事训练活动和弹药生产废水排放进入环境（Jenkins et al., 2006; Pichtel, 2012）。研究表明，硝基胍及其代谢物对植被、小鼠和斑马鱼具有毒性（Hiatt et al., 1988; Heitholt et al., 1990; Gust et al., 2017）。IMX-101的成分在光降解后对水生生物具有毒性（Kennedy et al., 2017），DNAN还对土壤线虫有毒（Gong et al., 2018）。DNAN中的特定偶氮寡聚物代谢物对原核和真核生物均表现出高度毒性（Olivares et al., 2016）。NTO及其主要还原代谢物3-氨基-1,2,4-三唑-5-酮（ATO）对多种生物具有毒性（Madeira et al., 2018）。这些对环境健康的威胁（以及可能对人类健康的影响）强调了在废水排放前必须对弹药成分进行适当处理的必要性。

理想情况下，应从源头去除弹药废物，因为这样可以系统地扩大处理规模并提高效率。已有几种实验室规模的生物反应器系统取得了一定成功，例如：一种两阶段厌氧-好氧反应器系统可降解NTO（Madeira et al., 2017）；一种单阶段好氧流化床反应器系统可处理DNAN（Platten et al., 2010; Karthikeyan and Spain, 2016）；一种厌氧-好氧批次反应器系统可同时处理DNAN和NTO（Menezes et al., 2022）；以及一种好氧颗粒污泥序批反应器系统可处理IMX-101或IMX-104（Stein et al., 2023）。然而，大多数研究仅针对简化的炸药混合物或使用单阶段厌氧/好氧实验室反应器系统。关于长期运行过程中微生物群落组成和动态变化的详细信息仍有限，尤其是当进料成分浓度和组成发生变化时。此外，尽管几十年来MBR已被用于处理多种污染物，但目前尚未有研究报道其用于处理复杂弹药废物的情况（Melin et al., 2006; Judd, 2008; Goswami et al., 2018; Al-Asheh et al., 2021）。

最近，一种序贯两阶段厌氧-好氧MBR系统在处理含有传统炸药、不敏感炸药、高氯酸根（ClO₄^?和硝酸盐（NO₃^?）的复杂合成和实际弹药废水方面表现出良好的长期性能（Fuller et al., 2023, 2025）。该系统在近2.4年的运行期间表现出良好的稳定性。MBR通过膜分离实现了微生物群落的隔离，从而防止了微生物流失，并优化了固体停留时间和水力停留时间（HRT），为高效降解弹药成分创造了独特环境。已有大量研究报道了细菌分离株和富集培养物对弹药化合物的生物降解作用（Trott et al., 2003; Crocker et al., 2006; Seth-Smith et al., 2008; Fuller et al., 2010b; Perreault et al., 2012; Fida et al., 2014; Kim et al., 2024a; Richard and Weidhaas, 2014; Eberly et al., 2016; Madeira et al., 2019, 2021; Rios-Valenciana et al., 2023），以及降解TNT（French et al., 1998; Watrous et al., 2003）、RDX（Bhushan et al., 2002; Seth-Smith et al., 2002, 2008; Roh et al., 2009; Fuller et al., 2010a）和DNAN（Fida et al., 2014）的功能基因。然而，关于MBR系统在长期运行过程中对复杂实际废水成分的微生物组动态和功能响应的研究仍然较少（Fuller et al., 2023, 2025）。

本研究评估了上述MBR系统在2.4年运行期间厌氧（ANO）和好氧（AERO）阶段的微生物群落动态，具体探讨了微生物组成、多样性、关键菌群、潜在功能基因及微生物网络如何随系统运行条件的变化而变化。

MBR运行与生物量采样

序贯厌氧-好氧MBR（图S1）的运行和性能已详细报道（表1）（Fuller et al., 2023, 2025）。该MBR系统（每个反应器工作体积为42.5升）在约2.4年的运行期间经历了不同的操作阶段，包括不同的传统炸药、不敏感炸药和实际废水输入、变化的水力停留时间（HRT）以及不同的碳源（表1）。ANO MBR的进水“标准炸药混合物”是人工合成的

弹药成分降解

表1中列出的各个运行阶段中，双MBR系统的整体性能见补充信息中的图S2–S6。大多数弹药成分在ANO MBR中完全或几乎完全降解，而AERO MBR则在某些阶段作为抛光步骤，用于去除残留的炸药（例如在高浓度ClO₄^?条件下去除RDX），以及氨、硫化氢和残留碳（即总碳含量TOC和化学需氧量COD）。两种化合物

结论与环境影响

一种序贯两阶段厌氧-好氧MBR系统在连续运行2.4年的时间内有效去除了弹药成分，并保持了稳定的微生物群落组成。与Pleomorphomonas属和未知的Saccharimonadales目细菌相关的菌群在ANO MBR中占主导地位，表明它们具有降解多种炸药成分的能力。相应地，这些菌群在降解过程中发挥了重要作用

CRediT作者贡献声明

Jinha Kim：撰写 – 审稿与编辑、初稿撰写、数据可视化、方法设计、实验设计、数据分析、概念化。Mark E. Fuller：撰写 – 审稿与编辑、项目管理、实验设计、资金获取、概念化。Paul B. Hatzinger：撰写 – 审稿与编辑、项目管理、实验设计、资金获取、概念化。Kung-Hui Chu：撰写 – 审稿与编辑、监督工作、实验设计、资金提供

利益冲突声明

作者声明没有已知的财务利益冲突或个人关系可能影响本文的研究结果。

致谢

我们感谢美国国防部战略环境研究与发展计划（ER19-1198；合同编号W912HQ-19-C-0016）对本研究的资助。