策略性富集特异性微生物以增强处理焦化废水的UASB反应器对有机负荷冲击的耐受性：提升系统稳定性与甲烷产量

《Journal of Environmental Sciences》：Strategic enrichment of specialized microorganisms enhances resilience to organic load shock in UASB reactors treating coking wastewater: improved stability and methane production

　　KF载体通过在UASB中富集功能微生物来提高OLS耐受性。AGS尺寸增加2.8倍，提高了污泥稳定性和OLS耐受性。KF载体将降解酚类和NHCs的细菌富集提高了13%。通过DIET优化Methanosaeta富集，实现VFA-甲烷平衡。系统降解有毒中间产物，抑制VFA，提高甲烷产量。引言焦化废水具有高毒性、高有机负荷和复杂组成等特点，主要由酚类（如苯酚）和含氮杂环化合物（NHCs）等难降解有机化合物组成（Su等，2024）。这种废水对生态环境和人类健康构成重大威胁（Zhao等，2024）。由于上流式厌氧污泥床（UASB）反应器具有能耗低、资源回收（甲烷生产）和高负荷率等优势，已被广泛用于处理焦化废水（Harris和McCabe，2015；Hou等，2022）。最近的研究进一步强调了厌氧工艺在低碳处理含氮工业有机废水以及在难降解工业废水基质中维持有效水解和甲烷生成方面的潜力（Deng等，2025；Kong等，2026）。然而，UASB系统在实际应用中容易受到运行挑战的影响，如工业过程变化和季节性波动，这些可能导致有机负荷冲击（OLS）（Wu等，2023）。这些冲击会显著降低甲烷产量（Wirasembada等，2024）。在OLS条件下，厌氧消化系统中的发酵速率可能显著超过甲烷生成速率，导致挥发性脂肪酸（VFA）积累。这种积累可能引发反应器的不可逆酸化，导致系统不稳定甚至完全失效（Barua和Dhar，2017）。传统的种间氢传递（IHT）机制在酸性条件下容易受到抑制（Nie等，2023），这限制了系统的稳定性和效率。相比之下，直接种间电子传递（DIET）不依赖氢作为电子载体。相反，它利用导电材料作为介导物来促进非产甲烷微生物和产甲烷微生物之间的高效电子传递（Liu等，2012）。这种机制显著提高了VFA向甲烷的转化效率，从而使反应器能够在OLS条件下稳定运行（Barua和Dhar，2017）。近年来，铁氧化物因其潜在促进电子传递和调节氧化还原过程的作用，在厌氧处理领域受到越来越多的关注（Nayeri等，2024）。Fe?O?由于其导电性能，可以作为电子传递介导物，为共生微生物之间的DIET创造有利条件（Nie等，2023）。相比之下，Fe?O?是一种氧化还原活性铁氧化物，可以提供表面氧化还原位点，可能有助于维持有利于微生物附着和代谢的氧化还原环境（Tao等，2021）。然而，直接使用铁氧化物可能受到金属流失和微生物附着不足的限制（Nie等，2023）。海藻酸钠（SA）提供了一个互补的基质，因为其羧基可以与Fe2?、Fe3?和Ca2?配位形成稳定的凝胶网络，同时其生物相容性和成胶特性有利于微生物附着（Chen，2021；Fang等，2024；Hemdan等，2024）。尽管这些各自具有优势，但在SA基质中共固定导电Fe?O?和氧化还原活性Fe?O?能否整合这些互补功能，同时在长期UASB处理焦化废水期间促进厌氧颗粒化并提高对OLS的抵抗力，目前仍不清楚。因此，这种复合设计的区别不在于单独使用铁氧化物，而在于在生物相容性SA框架中共固定Fe?O?和Fe?O?，从而将载体固定化和微生物附着与导电和氧化还原活性功能结合在单一载体中。为了弥补这一知识空白，本研究开发了一种KF复合载体，其中Fe?O?和Fe?O?共固定在SA基质中。研究目标为：(1) 评估KF载体在增强OLS抵抗力并加速厌氧颗粒化方面的性能；(2) 调查与KF添加相关的功能微生物群落变化；以及(3) 探索基于微生物、生化和代谢组学证据的反应器稳定性的潜在机制。本研究为开发多功能载体以改善受有机负荷扰动影响的厌氧处理系统的稳定性提供了依据。片段载体制备KF载体采用基于SA的凝胶固定化方法制备。简要过程为：将2 g SA加入100 mL蒸馏水中，在80°C水浴中搅拌直至完全溶解形成SA溶胶。然后将SA溶胶与Fe?O?和Fe?O?按质量比10:5:5充分混合。使用10 mL注射器，将所得复合溶胶逐滴加入2%（w/w）CaCl?溶液中，并在4°C下固化8小时。形成的载体随后清洗三次KF反应器OLS抗性性能分析KF反应器在OLS I和OLS II下均表现出比CK反应器更高的运行稳定性。如图2a所示，在OLS下KF反应器在VFA积累后迅速恢复，而CK反应器未能恢复。KF反应器中观察到的较小ORP波动（图2b）进一步表明KF添加与更稳定的氧化还原环境和改善的VFA转化相关。KF载体的几个组分可能合理地对此反应有所贡献结论本研究表明，在OLS下KF载体显著提高了UASB系统处理焦化废水的稳定性和处理性能。KF添加与更稳定的氧化还原环境和关键功能微生物（包括Bacteroidota和Methanosaeta）的富集相关，并与更高的COD去除率、甲烷产量和更快的冲击后恢复相关。还与更大的污泥-载体聚集体、更高的沉降速度和改变的EPS相关CRediT作者贡献声明**Yi Jiang:** 写作 – 审阅与编辑，写作 – 原稿，可视化，软件。**Wenlai Xu:** 方法论，形式化分析，数据整理。**Yizhi Zhang:** 数据整理。**Siyi Bian:** 可视化。**Mingjie Hu:** 形式化分析。**Linshan Yang:** 写作 – 审阅与编辑。**Wenyang Tao:** 数据整理。**Pan Li:** 验证。**Rui Zhang:** 验证。**Rui Qin:** 监督。**Ruoxi Yan:** 可视化。**Yifei Xie:** 项目管理，资金获取。**Keyu Shang:** 验证。**Yuji Ma:** 概念构思。利益冲突声明作者声明没有已知的竞争性经济利益或个人关系可能影响本文报告的工作。致谢本工作得到中国科学院战略性生物资源能力建设项目（编号KFJ-BRP-009-004）和四川省科学技术计划（编号2025ZNSFSC1225）的支持。Yi Jiang | Wenlai Xu | Yizhi Zhang | Siyi Bian | Mingjie Hu | Linshan Yang | Wenyang Tao | Pan Li | Rui Zhang | Rui Qin | Ruoxi Yan | Yifei Xie | Keyu Shang | Yuji Ma | Dan Zhang