超越脱氮：厌氧氨氧化废水处理中新污染物胁迫的多相环境风险与源-暴露-响应-风险-控制框架

《Microorganisms》：Beyond Nitrogen Removal: Emerging Contaminants and Environmental Risk in Anammox-Based Wastewater Treatment

　　

厌氧氨氧化（anammox）是一种能源高效且低碳的脱氮过程，但其更广泛应用使厌氧氨氧化生物质暴露于更复杂的污染物混合物中。现有综述已考察污染物抑制和微生物响应，而它们与环境风险的联系尚未得到充分整合关注。本综述聚焦代表性化学污染物和颗粒如何影响厌氧氨氧化性能与微生物响应，以及这些变化如何可能导致脱氮之外的环境风险。响应取决于污染物类型、浓度、暴露模式以及生物质形态（例如颗粒和生物膜）。常见响应包括污染物在胞外聚合物（EPS）和生物质中的滞留、颗粒或生物膜结构变化、细胞和氧化还原胁迫、核心厌氧氨氧化代谢破坏以及微生物相互作用改变。这些变化可能导致铵或亚硝酸盐泄漏、与抗生素抗性基因（ARGs）和抗生素抗性细菌（ARB）相关的风险、潜在N₂O排放以及固体中污染物积累。仅氮去除恢复并不能确认微生物活性恢复或滞留污染物负荷降低。因此，研究人员提出在液相、气相和固相中评估受污染物胁迫的厌氧氨氧化系统，使用源-暴露-响应-风险-控制框架进行监测、风险控制和恢复。该框架支持基于厌氧氨氧化的处理的风险评估和长期管理。

1. 引言（Introduction）
厌氧氨氧化（anammox）是在缺氧条件下将铵（NH₄⁺）和亚硝酸盐（NO₂^-）直接转化为N₂的生物脱氮过程，可降低曝气、外碳源和剩余污泥。部分亚硝化/厌氧氨氧化（PN/A）已用于高铵侧流，部分反硝化/厌氧氨氧化（PD/A）等正向主流市政废水、垃圾渗滤液和工业废水拓展。应用扩展使生物质暴露于药物、抗生素、消毒剂、全氟和多氟烷基物质（PFAS）、微塑料、纳米塑料、工程纳米颗粒、重金属及抗性生物因子。现有研究多关注抑制、毒性机制和氮去除/比厌氧氨氧化活性（SAA），而环境风险包括出水氮泄漏、抗性相关风险、N₂O排放和污染物在生物质中的积累或释放。稳定脱氮不排除ARGs存在或污染物积累。该综述强调过程性能与生物或环境恢复之间的错配。

2. 基于厌氧氨氧化的处理系统与暴露场景
厌氧氨氧化常与亚硝酸盐产生途径耦合，并以颗粒污泥、生物膜、移动床载体、膜生物膜等形式留存。PN/A可为单级或两级，PD/A由硝酸盐产亚硝酸盐。市政废水含抗生素、药物、消毒剂、PFAS、微塑料和纳米塑料，主流系统还受低温、低铵和变动有机碳影响。垃圾渗滤液、医院、制药、畜牧、水产和工业高铵废水可含复杂混合物、ARB、ARGs和移动遗传元件。反应器构型影响暴露：单级PN/A中氨氧化细菌（AOB）和厌氧氨氧化菌共享进水，两级厌氧氨氧化反应器接收上游出水；PD/A影响部分反硝化菌。生物质形式亦重要，EPS可结合化学品和颗粒，降低短期暴露但增加滞留。暴露评估需考虑浓度、持续时间、混合物、颗粒性质、生物质滞留和积累；混合效应可为加和、协同或拮抗；溶解有机物、络合剂和吸附竞争改变生物有效性；重复或长期低剂量暴露不同于短期高剂量。暴露相关因素分为化学污染物、颗粒介导胁迫、生物输入和运行胁迫，且可交互。

3. 污染物胁迫对厌氧氨氧化性能和微生物响应的影响
3.1 抗生素：性能和抗性相关响应
抗生素抑制取决于化合物、浓度和暴露模式。长期2 mg/L土霉素（OTC）三周使SAA降81.3%；10 mg/L磺胺嘧啶（SDZ）性能稳定，而1 mg/L金霉素持续抑制；重复SDZ冲击造成累积损失，逐步加载在50 mg/L维持总氮去除效率（TNRE）>85%。OTC下血红素c和hzs丰度分别降50.1%和29.7%；SDZ和金霉素胁迫检测18种ARG类型和94种亚型，超过20个属可能为宿主，Candidatus Brocadia关联46.81% SDZ抗性基因和38.63%金霉素抗性基因，但关联不证明宿主。反应器性能与微生物状态可分离，需同时评估。

3.2 微塑料和纳米塑料：延迟性能损失和生物质响应
聚对苯二甲酸乙二醇酯微塑料（PET-MPs）0.1–0.2 g/L无显著变化，1.0 g/L使SAA降16.2%；200 mg/L长期282天使TNRE下降，三月恢复约87%。聚苯乙烯纳米塑料（PS-NPs）1–2 mg/L早期耐受，225天SAA较100天低44.5%和57.6%，生物质累积达118 mg/g VSS时强抑制。低进水浓度不等于低长期暴露。尺寸影响相互作用，但聚集、老化和吸附改变其效应，尺寸不单独决定毒性。长期暴露改变EPS、颗粒完整性和活性；PET微纳塑料导致表面开裂、结构松散和解体，并改变EPS、群体感应相关过程及代谢基因。聚乙烯微塑料（PE-MPs）降低EPS和SAA，聚氯乙烯（PVC）较聚丁二酸丁二醇酯（PBS）更强抑制。塑料浸出物亦贡献毒性，低密度聚乙烯（LDPE）和聚丙烯（PP）浸出物中分别初步鉴定31和37种化合物，邻苯二甲酸二丁酯100 mg/L 5 h抑制29.4%，24 h内大幅恢复。

3.3 PFAS、杀生物剂和其他有机污染物：性能和微生物响应
全氟辛酸（PFOA）从5增至50 mg/L使铵去除从93.90%降至77.81%，亚硝酸盐去除从98.60%降至77.96%；全氟丁烷磺酸盐（PFBS）最高暴露使总氮（TN）去除从95.60%降至85.89%。PFBS下hzs和hdh丰度分别降54.65%和57.32%，ARGs、移动遗传元件和潜在病原体增加。三氯卡班（TCC）50 μg/L影响小，200 μg/L明显抑制和群落变化。许多消毒剂、药物和内分泌干扰物长期数据仍缺乏。

3.4 重金属和工程纳米颗粒：剂量依赖性能和生物质响应
重金属作为共胁迫，效应浓度依赖，痕量可能有益，高浓度抑制。1 mg/L Ni(II)使SAA增11.14%，拟合半最大抑制浓度（IC₅₀）为83.86 mg/L，长期抑制增强；另一批IC₅₀为14.64 mg/L，而上流式厌氧污泥床（UASB）150天10 mg/L Ni(II)后达约93%氮去除。Cu(II) 5 mg/L时无生物炭反应器氮去除从99.0%降至25.48%。ZnO纳米颗粒急性IC₅₀为84.7 mg/L，200 mg/L约80%抑制；长期100 mg/L积累抑制，停止后约120天恢复。金属和纳米颗粒效应取决于剂量与暴露史，批式IC₅₀需与连续反应器和生物质浓度联合解释。

3.5 性能和微生物响应的跨研究规律
响应因测试模式、浓度、时间、生物质形式和终点不同，仅按名义浓度比较可能误导。短期耐受不保证长期稳定，尤其污染物在生物质中积累时；反应器氮去除稳定时SAA、功能基因、颗粒性质或抗性谱可能已改变。需同时评估过程性能、生物质响应、暴露时长、积累和恢复。

4. 污染物胁迫与恢复力的机制
4.1 EPS和生物质结构调节局部暴露
EPS和生物质结构决定局部暴露。蛋白质、多糖、类腐殖质和脂质形成反应性基质，可结合溶解污染物并滞留颗粒。短期可降低自由溶解组分，长期则使污染物滞留于颗粒和生物膜。混合暴露中微塑料可吸附抗生素并改变可用性。PFOA下2 μmol/L C6-HSL使铵去除从79.7%升至94.4%，亚硝酸盐去除从80.8%升至97.1%，胞外蛋白更致密、疏水性增加、Planctomycetota从30.2%升至49.5%。铁负载生物炭在PFOA下提高去除，PFOA去除从5.2%升至29.2%，部分可能为水相向固相转移。长期PS-NP降低EPS和疏水性，损害传质并产生颗粒裂缝，118 mg/g VSS时强抑制；PET-MPs增加氧化应激并削弱颗粒结构。

4.2 细胞损伤和氧化应激
污染物扰动外层后，细胞完整性成为关键。细胞包膜损伤改变膜通透性、底物转运和胞内条件；氧化应激干扰蛋白、脂质和氧化还原。这些效应可先于反应器氮去除明显下降。PET-MP暴露伴随氧化应激和颗粒稳定性损失。Ni(II)下胞内Ni积累，SAA在0、12和48 h分别从11.19降至7.86和3.09 mg TN/(g VSS h)，肼脱氢酶活性降低。胞内积累后抑制更依赖胞内代谢且更难逆转。

4.3 电子传递和核心厌氧氨氧化代谢
核心反应亚硝酸盐还原、肼形成和肼氧化依赖肼合酶（HZS）、肼脱氢酶/氧化还原酶（HDH/HZO）和含血红素氧化还原蛋白。OTC三周使SAA、血红素c和hzs丰度分别降81.3%、50.1%和29.7%。Ni(II)胞内积累伴肼脱氢酶活性和SAA降低。PFBS降低hzs和hdh丰度54.65%和57.32%及TN去除。基因变化支持代谢破坏但不证明直接酶抑制。PFOA下铁负载生物炭增加hzsB和hdh丰度并改善氮去除。分子对接提示SDZ与亚硝酸盐还原酶、PFBS与肼脱氢酶可能相互作用，PFBS结合能约?8 kcal/mol，但仍需酶活、胞内暴露、转录或蛋白和恢复测量验证。

4.4 微生物相互作用和抗性选择
污染物可通过改变供耗亚硝酸盐微生物间接影响。PN/A中AOB抑制减少亚硝酸盐，厌氧氨氧化菌更强抑制则致亚硝酸盐积累。PD/A中部分反硝化菌变化可减少硝酸盐向亚硝酸盐转化或偏向完全反硝化。50 mg/L PFOA下Candidatus Brocadia从22.21%降至2.11%，Candidatus Kuenenia从5.61%降至2.84%，铵和亚硝酸盐去除降低。相对丰度需绝对丰度或生物质归一化基因拷贝确认。SDZ和金霉素下18种ARG类型和94种亚型，超过20个属关联；OTC长期使tetA从1.03%升至2.51%，tetB和tetC约翻倍。PFBS增加ARGs、移动遗传元件和潜在病原体，同时降低TN去除。共现不证明宿主或水平基因转移。

4.5 暴露后适应和恢复
过程耐受、适应和恢复不同。逐步SDZ加载在50 mg/L维持TNRE>85%，重复冲击则累积损失；生物质生长和富蛋白紧密结合EPS与更好性能相关。混合污染物可同时影响多机制，PFAS和季铵盐化合物在PN/A生物膜中的联合效应随浓度变化，并伴EPS和铵/亚硝酸盐传输变化。长期低剂量下滞留污染物可积累，如PS-NPs。282天PET-MP后TNRE恢复约87%；Ni(II)四周期表观IC₅₀从10.83升至30.89、82.08和165.43 mg/L；乙二胺四乙酸（EDTA）在2.5–25 mg/L Ni(II)后恢复93.25–98.49% SAA，75–100 mg/L仅恢复46.49–53.47%。氮去除恢复不等于完全生物恢复。

4.6 跨研究机制证据
机制结论应匹配证据类型。胞内污染物和酶活较直接；膜完整性、氧化应激、ATP、转录、蛋白和代谢物可识别受累过程；功能基因丰度和群落提供生物信息；共现网络提示关联而非直接生态相互作用或确认ARG宿主；分子对接识别潜在结合，需验证。应区分直接生理生化测量、分子证据、群落关联、建模或对接及概念推断。

5. 污染胁迫厌氧氨氧化系统的环境风险含义
实验室抑制主要表征危害。环境风险在暴露导致不利输出、增加释放或水气固相转移时评估。四个风险路径为出水氮泄漏、抗性/微生物风险、潜在N₂O排放、污染物积累和释放。这些为潜在路径而非定量影响；实测氮泄漏和固相滞留较污染物特异N₂O排放更直接。

5.1 出水氮风险
氮去除不稳定时出水铵、亚硝酸盐或硝酸盐增加。PFOA、Cu(II)等严重暴露导致大损失，但浓度高于多数废水，应视为可能失效模式而非环境阈值。亚硝酸盐对水生生物有毒，指示产生与消耗失衡。PN/A中厌氧氨氧化菌受抑更强时亚硝酸盐积累；PD/A中部分反硝化菌变化亦影响。亚硝酸盐增加可能促进N₂O形成。出水氮既是过程指标又是风险输出，应关注单个氮形态。

5.2 抗性相关和微生物风险
污染物暴露改变ARGs、ARB、移动遗传元件等。其可随进水进入，也可在颗粒和生物膜中滞留或选择。关注处理是否改变其丰度、移动性或释放。抗生素研究显示ARG谱变化；PFBS研究报道ARGs、移动遗传元件和潜在病原体富集，同时氮去除下降。相对丰度不等于总负荷，应包含绝对基因丰度、移动遗传元件、可培养抗性菌、潜在宿主及水/生物质分布。

5.3 潜在N₂O排放风险
高氮去除不意味低温室气体释放。核心厌氧氨氧化主要产N₂，但PN/A和PD/A含AOB、亚硝酸盐氧化细菌（NOB）、反硝化菌和异养菌。氧、亚硝酸盐、有机碳和毒性胁迫影响N₂O产生与消耗。直接证据有限，主要间接：扰动微生物平衡、亚硝酸盐积累、氧碳利用改变，可能在抑制或恢复期出现瞬态峰值，偶测可能漏检。应频繁监测。目前视为需更强证据的潜在风险。

5.4 滞留生物质中污染物积累和释放
溶解污染物下降不等于破坏或去除。颗粒、生物膜、载体和吸附材料可滞留化学品、颗粒、ARGs和抗性菌，降低短期液相暴露但增加固相负荷。塑料颗粒长期积累；PFOA铁负载生物炭改善液相去除部分因转移至固相。滞留污染物可随剩余污泥、脱落生物膜、载体流失或生物质冲刷离开。污泥已是抗生素、ARGs和ARB储库；颗粒厌氧氨氧化系统出水释放污泥仍保留氮转化潜力并有生物安全担忧。系统边界应包含剩余污泥、脱落生物质和废载体。控制可改善出水而不降低总负荷，四路径相互关联。

6. 监测、预警和恢复力管理
风险应在严重失败或长期释放前识别。监测应超越出水氮，包括生物质条件和风险输出。管理分三级：常规监测、预警诊断、缓解恢复。

6.1 从过程性能到风险指标的监测
常规指标包括铵、亚硝酸盐、硝酸盐、TN、化学需氧量（COD）、碱度、pH、溶解氧（DO）、氧化还原电位（ORP）、温度、游离氨（FA）和游离亚硝酸（FNA）。PN/A和PD/A中持续亚硝酸盐积累、硝酸盐产生变化或pH/ORP不稳提示失衡。生物质指标包括SAA、生物质存量、粒径、沉降、EPS、颗粒强度和膜完整性，可区分生物抑制、结构损伤和传质不良。功能基因支持诊断；抗生素或杀生物剂流可纳入选定ARGs和移动遗传元件。风险指标包括N₂O排放、生物质污染物积累、液固相ARGs和ARB、剩余污泥或废载体负荷。警告限应基于各反应器正常行为，不能直接套用批式值，需多指标支持。

6.2 分层预警和诊断
按响应时间分组。快信号包括亚硝酸盐、DO、pH、ORP、氮负荷和连续N₂O。生物质指标较慢但提供原因：SAA、EPS、粒径、沉降、显微镜和膜完整性。群落、功能基因、ARGs和积累适合长期诊断与恢复。单一信号不可解释：亚硝酸盐上升可为厌氧氨氧化抑制、亚硝酸盐产生过多或传质差；TN稳定但SAA下降可能由生物量补偿；EPS增加可能为保护，也可能指示颗粒损伤。诊断应组合过程、生物质和风险指标。

6.3 缓解和逐步恢复
策略包括生物、代谢调控、材料和过程优化。逐步驯化改善耐受，生物强化可能引入耐胁迫微生物但依赖条件。群体感应相关调控可能维持活性，但效果随污染物和运行条件变化。吸附或氧化还原材料降低暴露，但增加成本或将污染物水转固。过程优化包括均质、源分离、靶向预处理、浓侧流控制、稳定亚硝酸盐供应、控制曝气、合适水力与污泥停留时间、避免盐度、有机负荷、FA和FNA剧烈变化。颗粒、生物膜、载体和膜提高滞留也滞留污染物，需与积累一起评估。严重抑制后应停止、分流或稀释毒性输入，保留活性生物质，低负荷恢复亚硝酸盐供应，检查SAA和底物转化后再提负荷。正常出水不是恢复终点。该策略整合为源-暴露-响应-风险-控制框架。

7. 知识空白和实践优先事项
7.1 更现实暴露条件和污染物混合物
多数研究用单化合物、合成废水和短期暴露，真实系统面临长期混合物及变温、盐度、有机碳和负荷变化。应代表市政废水、侧流、渗滤液、医院和制药、畜牧和水产、工业高铵流。长期低剂量混合物需关注；PFAS和季铵盐化合物混合研究已开始但仍有限。实验应区分即时抑制、连续暴露适应和去除后恢复。

7.2 可比报告和更强机制证据
跨研究比较需一致报告液/生物质浓度、颗粒性质、生物质来源形态、反应器构型和运行条件、暴露时长、氮去除和SAA、恢复。机制结论应匹配证据强度。胞内污染物、酶活、细胞损伤、转录或蛋白强于群落相关。共现网络提示关联，不确认宿主或水平基因转移；分子对接不能证明活细胞抑制。高剂量揭示危害和失效模式，但不代表典型暴露或操作限值。

7.3 中试规模验证和实际应用
实验室发现需中试和全规模验证，温度、水力负荷、有机碳、盐度和污染物混合物同时变化。现场研究应结合常规过程监测与选定生物质、分子、N₂O和固相指标。低剂量或无效应案例有助于定义基线。预警指标和控制措施需连续运行测试。缓解策略应超越氮去除，权衡成本、操作复杂性、二次毒性、ARGs、N₂O排放和污染物向污泥或载体转移。

8. 结论
污染物胁迫影响过程和微生物，响应取决于类型、浓度、时长、生物质形态和暴露史。短期耐受不保证长期稳定，滞留污染物可积累并延迟抑制；驯化可维持氮去除但细胞活性或微生物特征已变。效应涉及EPS和生物质滞留、结构和细胞胁迫、氧化还原和核心代谢破坏、微生物相互作用改变。环境风险包括铵或亚硝酸盐泄漏、抗性变化、潜在N₂O排放、污染物在污泥和生物膜中滞留或释放。该综述提出源-暴露-响应-风险-控制框架。评估应超越氮去除，关注微生物响应、恢复状态和液气固相风险转移。证据主要来自实验室，直接环境风险测量有限，框架宜作反应器特异监测的定性指南。