添加碳酸氢盐的水凝胶-生物炭-AQDS 固定化生物反应器中氮、Cu2+ 和双酚 A 的同步去除：性能与宏基因组学洞察

《Journal of Hazardous Materials》：Simultaneous removal of nitrogen, Cu2+, and bisphenol A in a hydrogel-biochar-AQDS immobilized bioreactor with added bicarbonate: Performance and metagenomic insights

　　

摘要

随着工业废水污染的复杂性不断增加，在低碳条件下同时去除氮、金属污染物和持久性有机污染物已成为生物处理系统的关键挑战。为解决固定化系统在暴露于铜 (Cu²⁺) 和双酚 A (BPA) 时观察到的运行不稳定性和对碳源的依赖性，将 Pseudoalteromonas japonicus 菌株 LY0623 整合到水凝胶 - 生物炭 -AQDS 复合载体中，以构建多功能固定化生物膜系统。值得注意的是，在仅含 NaHCO₃ 的条件下，R4 系统实现了 89% 的 NH₄⁺-N 去除率。在 Cu²⁺ 和 BPA 共存的条件下，R4 系统实现了 NH₄⁺-N (89%)、NO₃^--N (100%)、Cu²⁺ (85%) 和 BPA (88%) 的去除。沉积物表征证实，Cu²⁺ 通过吸附、络合和微生物诱导碳酸盐沉淀 (MICP) 被固定。宏基因组分析进一步表明，假单胞菌门 (Pseudomonadota) 仍占主导地位，而与无机碳同化、HNAD 氮代谢、内源碳转化、生物矿化、电子转移和芳香族化合物降解相关的功能途径得以保留。通过结合作氨氧化驱动的能量产生、无机碳利用、氧化还原介导过程和生物矿化，本研究为处理含有混合污染物的工业废水提供了一种极具前景的低碳策略。

引言

随着全球工业化步伐的加快，工业废水的排放量持续上升，逐渐演变为全球生态危机。冶金和制药行业的废水尤其具有挑战性，因为它们不仅含有氨 (NH₄⁺-N) 和硝酸盐 (NO₃^--N)，还含有具有高生物毒性的重金属和有机化合物 [12]。这种复合污染的复杂性远超传统的生活污水。过量的重金属和有机物破坏了生态平衡，导致生物净化系统崩溃。而氮物种的积累与重金属和有机化合物形成复杂的络合物，大大增加了净化难度和成本 [2]。未经处理的工业废水通常表现出高达每升几毫克的 NH₄⁺-N 和 NO₃^--N 残留，重金属和有机物浓度超出排放标准数倍，严重破坏受纳水体生态系统，并通过灌溉和地下水渗入威胁饮用水安全和人类健康 [48]。因此，在重金属和有机物胁迫下实现同时高效脱氮成为工业废水处理的关键挑战。

传统生物脱氮主要由硝化和反硝化的协调过程驱动 [42]。然而，重金属和有机物对细菌的强烈毒性（通过膜破坏和氧化应激）导致关键反硝化酶功能丧失。此外，传统工艺的特点是流程长、能耗高和碳源需求大 [16]。为解决这些问题，异养硝化好氧反硝化 (HNAD) 细菌引起了广泛关注。这些菌株能够在好氧条件下同时将 NH₄⁺-N 和 NO₃^--N 转化为气态氮，从而减少了对单独的好氧区和缺氧区以及补充碳源的需求 [14]。尽管如此，当应用于富含重金属和有机物的复杂废水时，单一菌株仍面临易被冲刷和不稳定等局限性。

为克服这些局限性，本研究提出了一种结合功能微生物和增强载体的协同策略。HNAD 细菌被嵌入水凝胶多孔网络中，有效抵抗了重金属和双酚 A (BPA) 的直接毒性作用，显著抑制了生物量损失，并确保了长期运行的稳定性 [35]。值得注意的是，该菌株还具有微生物诱导钙沉淀 (MICP) 功能，能够将金属污染物原位固定为碳酸盐结合矿物，实现协同钝化 [51]。为进一步突破电子转移瓶颈，在载体中引入了由负载蒽醌 -2,6-二磺酸 (AQDS) 的生物炭组成的固定化氧化还原介体系统。由于其高比表面积和丰富的官能团，生物炭对 BPA 表现出强吸附能力。同时，AQDS 的醌基团能够在氧化态和还原态之间进行可逆氧化还原循环，从而介导微生物电子载体与细胞外受体之间的电子转移 [29], [52]。这种结构不仅克服了电子转移的速率限制，还提高了反硝化、重金属降解和 BPA 降解的速率。

本研究建立了一个固定化功能系统，并系统评估了其在同时去除复杂工业废水中污染物的性能。使用傅里叶变换光谱法和 X 射线衍射对沉淀产物进行了表征，并使用三维荧光光谱法结合液相色谱质谱法跟踪了 BPA 的降解途径和产物。宏基因组分析揭示了功能微生物群落的动态演替，以及与碳氮代谢、重金属耐受性和有机污染物降解相关的基因表达变化。该方法在群落和分子水平上阐明了固定化系统在复杂污染胁迫条件下的代谢响应策略和协同去除机制。

片段

微生物和培养

本研究使用了 Pseudoalteromonas japonicus sp. LY0623 细菌 [21]。有关菌株 LY0623 培养基成分和来源的信息见补充材料 文本 S1。

生物载体制备和微生物固定化

使用 AQDS、聚乙烯醇 (PVA)、海藻酸钠 (SA) 和一种源自椰子壳的改性生物炭构建了水凝胶载体。AQDS 购自阿拉丁生化科技股份有限公司 (中国上海)，椰子壳生物炭制备

生物膜反应器的污染物去除性能

本研究选择了水力停留时间 (HRT)、pH 值、进水氮浓度和 C/N 比等操作参数，以考察 R4 反应器相对于对照组的处理性能改进情况。图 1 展示了四个反应器组中 NH₄⁺-N 和 NO₃^--N 的出水浓度和去除效率。

结论

在本研究中，开发了一种基于水凝胶 - 生物炭 -AQDS 固定化 Pseudoalteromonas japonicus sp. LY0623 菌株的系统，用于混合废水中的同时反硝化、Cu²⁺ 固定化和 BPA 降解。R4 系统在整个运行过程中表现出优异的稳定性。值得注意的是，在仅添加 NaHCO₃ 的条件下，NH₄⁺-N 去除率高达 89%，表明该系统在不添加外源

CRediT 作者贡献声明

Yu Liu: 写作 - 审查与编辑，写作 - 原稿撰写，调查。Yue Wang: 验证，软件。Xuan Li: 验证，软件。Junfeng Su: 监督，方法论，构思。Yihan Bai: 可视化，验证，调查。Xue Li: 监督，方法论，构思。

利益冲突声明

作者声明，他们没有已知的竞争财务利益或个人关系可能影响本文报告的工作。

致谢

本研究工作部分得到了国家自然科学基金 (NSFC: No. 52270167 和 No. 52400013)、陕西省重点科技创新团队 (2023-CX-TD-32) 和陕西省青年科学基金项目 (No. 2025JC-JCQN-019) 的支持。作者感谢西安建筑科技大学仪器分析中心的张伟和宋芳提供的宝贵帮助。衷心感谢 Figdraw

Yu Liu|Xue Li|Junfeng Su|Yihan Bai|Yue Wang|Xuan Li

西安建筑科技大学环境市政工程学院，中国西安 710055