《Eco-Environment & Health》：Controls of disinfection byproducts and biotoxicity in chlorinated post-denitrifying effluents: Optimization of the carbon-to-nitrogen ratio and hydraulic retention time
编辑推荐：
作为一种有效的控制策略，在消毒前优化废水处理工艺的运行参数可以减少消毒副产物（DBP）前体物，从而控制DBP生成和相关生物毒性。然而，对于广泛应用的深度反硝化工艺，两个关键参数——碳氮比（C/N）和水力停留时间（HRT）在控制DBP和生物毒性方面的有效性和潜在
作为一种有效的控制策略，在消毒前优化废水处理工艺的运行参数可以减少消毒副产物（DBP）前体物，从而控制DBP生成和相关生物毒性。然而，对于广泛应用的深度反硝化工艺，两个关键参数——碳氮比（C/N）和水力停留时间（HRT）在控制DBP和生物毒性方面的有效性和潜在机制尚不清楚。在本研究中，研究人员在不同C/N比（3–6）和HRT（7–24 h）下，研究了32种卤代DBP和可吸附有机卤素（AOX）的生成，以及发光细菌的急性毒性。结果表明，HRT对DBP、AOX和毒性的影响比C/N比更显著。在30°C、C/N比为6的条件下，将HRT从7 h延长至24 h，碳质DBP（C-DBPs）、氮质DBP（N-DBPs）、AOX和毒性分别降低了73%、45%、19%和17%。相关性分析表明，AOX与反硝化出水总荧光强度呈显著正线性相关，且色氨酸类和腐殖酸类组分被确定为AOX的主要前体物。此外，AOX被发现是主要毒性驱动因素。基于运行参数、微生物群落和荧光组分之间已建立的关联，研究人员提出了一条顺序路径：运行参数（主要是HRT）调控特定微生物类群，这些类群介导荧光前体物的产生，进而影响DBP和AOX的生成，并最终影响生物毒性。该路径初步从工程和微生物学角度为氯化废水中DBP和生物毒性的源头控制提供了可操作的指导。
**论文解读：反硝化工艺参数优化对氯化出水中消毒副产物与生物毒性的控制机制**
**研究背景与问题**
市政污水处理厂（MWTPs）普遍采用氯消毒以灭活病原微生物，但氯与出水中有机物反应会生成大量消毒副产物（DBPs），其中许多已被证实具有遗传毒性、细胞毒性或发育毒性。为降低生态风险，控制DBP生成至关重要。源头控制策略旨在通过消毒前处理工艺减少DBP前体物，其中深度反硝化作为三级处理单元常位于消毒前端，其运行参数（如碳氮比C/N比和水力停留时间HRT）的优化有望高效削减前体物。然而，现有研究多关注这些参数对出水有机物（EfOM）的影响，而其对后续DBP生成及生物毒性的调控效果与机制尚不明确。此外，碳源类型已被证实影响DBP生成，但同等重要的C/N比和HRT的作用仍缺乏系统研究。为此，本研究以葡萄糖为优化碳源，系统探究C/N比（3–6）和HRT（7–24 h）对氯化后反硝化出水中卤代DBPs、可吸附有机卤素（AOX）及发光细菌急性毒性的影响，并借助荧光组分与微生物群落分析揭示其内在机制。
**研究结论与意义**
研究发现，HRT对DBPs、AOX和毒性的控制效果显著优于C/N比。在30°C、C/N=6条件下，将HRT从7 h延长至24 h可使碳质DBPs（C-DBPs）、氮质DBPs（N-DBPs）、AOX和急性毒性分别降低73%、45%、19%和17%。AOX与总荧光强度呈显著正线性相关（r=0.882），且色氨酸类与腐殖酸类荧光组分是AOX的主要前体；AOX被确认为非特异性毒性的主要驱动因子。基于冗余分析（RDA），HRT主导了关键反硝化菌属（如unclassified_f__Rhizobiaceae和Mycobacterium）的丰度变化，进而调控荧光前体物生成，最终影响DBP与毒性。该研究初步建立了“运行参数（尤其是HRT）→微生物群落→荧光前体→AOX→毒性”的序贯路径，为从工程与微生物学角度源头控制氯化废水DBP与生物毒性提供了可操作策略。论文发表在《Eco-Environment》。
**主要关键技术方法**
研究采用以下关键技术：（1）**DBP生成势（FP）测试**：测定32种卤代DBPs（包括三卤甲烷、卤乙酸、卤乙腈等）及AOX（作为总体卤代有机物参数）；（2）**发光细菌急性毒性测试**：以费氏弧菌（*Vibrio fischeri*）为受试生物，通过Microtox
? M500分析仪计算毒性单位（TUa）；（3）**三维荧光光谱结合平行因子分析（PARAFAC）**：识别EfOM中荧光组分（色氨酸类、腐殖酸类、酪氨酸类）并量化其最大荧光强度（Fmax）；（4）**16S rRNA基因高通量测序**：分析反硝化污泥微生物群落（属水平），结合冗余分析（RDA）探索操作参数、微生物与荧光组分的关系。样本污泥取自南京某MWTP缺氧池，合成废水模拟反硝化进水。
**研究结果**
**3.1 C/N比与HRT对DBP生成和生物毒性的影响**
通过改变C/N比（3–6）和HRT（7–24 h），在30°C和20°C下进行批式反硝化实验，随后对出水进行DBP FP测试。结果表明：
- **C-DBPs**：HRT延长显著降低C-DBP FP（如TCM、CHD、DCAA及TCAA），24 h相比7 h降低73%；C/N比增加反而使C-DBP FP先升后稳，但变化幅度小于HRT。
- **N-DBPs**：仅检测到三氯硝基甲烷（TCNM），其FP在C/N=3、HRT=7 h时最高，较高C/N比和较长HRT有助于减少TCNM生成。
- **AOX**：AOX FP范围为110.67–157.95 μg Cl/L，在C/N=6、HRT=24 h达最小值，但未知AOX占比高达80%。
- **急性毒性**：TUa值在HRT延长时显著降低，C/N=6与HRT=24 h组合下TUa最低（104.16）。TCNM虽只占DBP质量的1%，但贡献了几乎全部毒性。
- **温度效应**：20°C下，HRT对DBP和毒性的影响规律与30°C相反，短HRT（7 h）更有效，表明最佳HRT因温度而异。
**3.2 荧光组分在DBP生成和生物毒性中的作用**
PARAFAC从EfOM中解析出三种荧光组分：色氨酸类（C1）、腐殖酸类（C2）和酪氨酸类（C3），其中蛋白质类物质（C1+C3）占Fmax的82%–91%。
- **相关性分析**：总Fmax与AOX FP（r=0.882，p<0.001）和TUa（r=0.872，p<0.001）呈显著正线性相关；AOX FP与TUa也呈正相关（r=0.923）。C1和C2与AOX生成显著正相关，而C3无相关性，因其与氯反应活性低。腐殖酸类C2还与三卤甲烷（THMs）和卤乙酸（HAAs）呈正相关，符合文献报道。
**3.3 微生物群落在DBP生成和生物毒性中的作用**
属水平分析鉴定出48个菌属，其中24个具有反硝化功能，总相对丰度32.1%–37.5%。RDA显示：
- **微生物-荧光组分关联**：unclassified_f__Rhizobiaceae和Mycobacterium是Fmax变化的关键解释变量（解释69.0%变异，p=0.002），分别与C1和C2正相关。
- **操作参数-微生物关联**：HRT单独解释37.7%的菌属丰度变异（p=0.012），而C/N比和温度贡献均<10%。这定量解释了HRT为何比C/N比更有效控制DBP与毒性。
**讨论与结论**
讨论部分指出，基于荧光组分与微生物群落的关联，HRT通过调控关键反硝化菌属丰度，影响色氨酸类和腐殖酸类荧光前体物的生成，进而决定AOX形成与毒性水平。该序贯路径初步从工程（宏观参数）和微生物（微观机制）角度阐明了DBP与毒性的影响因素。研究强调，AOX作为综合参数可作为非特异性毒性的关键指标，建议在生态风险评价中予以重视。未来需通过长期连续流反硝化生物滤池或中试实验验证该路径，并结合功能基因表达与代谢途径分析确认具体微生物类群的作用。此外，应扩展毒性测试终点（如遗传毒性）以全面评估生态风险。
**结论翻译**：
在反硝化与氯消毒过程中，C-DBPs、N-DBPs、AOX的生成以及发光细菌急性毒性受C/N比和HRT影响。相比之下，HRT通常发挥更显著的作用，优化HRT在控制DBPs、AOX和毒性方面更为有效。AOX作为DBPs的综合参数，被确定为非特异性毒性的关键指标，凸显其在降低生态风险中的重要性。此外，根据PARAFAC和微生物群落分析，发现色氨酸类和腐殖酸类组分是AOX的主要前体，而反硝化菌如unclassified_f__Rhizobiaceae和Mycobacterium与这些荧光组分相关。总体而言，本研究初步阐明了“运行参数（尤其是HRT）→微生物群落→荧光前体→AOX→毒性”的路径，并为减少反硝化与氯消毒过程相关生态风险提供了实用的操作策略。为进一步推进这些发现，未来研究应在长期且更实际的反硝化系统中验证所提出的机制与控制策略，从而有效提升氯化废水排放至自然水体的生态安全性。
