《Journal of Environmental Sciences》：A systematic study on the resistance mechanisms and degradation potential of aerobic biological systems under high-concentration nonylphenol polyoxyethylene ether stress
编辑推荐：
•NP-10 具有显著的生态毒性，LC?? 值为 26.2 mg/L。•NP-10 会诱导活性氧（ROS）的积累，并激活 soxR–marA–leuO 通路。•当 NP-10 浓度低于 200 mg/L 时，可维持稳定的污染物去除效果和微生物群落。•能量的限制加剧了 EPS 合成
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NP-10 具有显著的生态毒性，LC?? 值为 26.2 mg/L。
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NP-10 会诱导活性氧（ROS）的积累，并激活 soxR–marA–leuO 通路。
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当 NP-10 浓度低于 200 mg/L 时，可维持稳定的污染物去除效果和微生物群落。
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能量的限制加剧了 EPS 合成与 ROS 清除之间的竞争。
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EPS-PS 的增加以及 BOD/COD 比值的升高表明微生物系统进行了适应。
引言
在处理含有 NPEOs 的废水时，生物方法相较于物理化学方法具有优势，比如能耗更低且不会产生二次污染（Su 等，2024）。然而，厌氧生物过程在实际应用于高浓度有机废水时受到诸多限制，包括气体管理、安全隐患、较长的启动期、较高的温度控制成本以及对高毒性污染物的适应性差（Hossain 等，2019；Show 等，2020）。相比之下，好氧处理具有更高的降解效率、更强的适应性和更简单的操作控制，更适合处理含有高浓度 NPEO 的废水（Peng 等，2025）。尽管传统观点认为好氧活性污泥工艺在处理高浓度有机废水时会面临高溶解氧（DO）需求和过多污泥产生的挑战，但最近的研究表明，在高浓度和难降解有机污染物的条件下，好氧系统仍具有独特的优势，并有潜力克服这些限制（Hamza 等，2018；Hu 等，2024）。好氧环境下的微生物群落表现出结构复杂性、强烈的代谢灵活性和适应能力。通过群落重构和代谢途径调节，这些群落逐渐适应外部压力，从而实现有机污染物的有效和稳定去除（Pan 等，2023）。
在好氧生物过程中，微生物群落在污染物去除效率中起决定性作用，而 NPEOs 对微生物群落结构和功能特性有显著影响（Xu 等，2023）。迄今为止，关于 NPEOs 对活性污泥影响的研究主要集中在低浓度暴露情景（通常为 10-30 mg/L）及其导致的表面分类变化（Dornelles 等，2024）。例如，研究表明低剂量的 NPEOs 会导致微生物选择、减少古菌多样性（Dornelles 等，2020；Zhang 等，2008），并改变功能基因表达同时抑制目标代谢酶（如 RET 酶）（Pessala 等，2009；Bai 等，2017）。然而，这与现实中的工业排放情况存在显著差异，因为工业排放中的 NPEO 浓度可高达 500-2000 mg/L。在现实的工业排放中，高浓度的 NPEO 会引发明显的氧化应激和严重的生物毒性，这可能从根本上破坏系统的代谢网络（Chu 等，2024）。在这种极端压力条件下，微生物的存活能力很大程度上取决于细胞内电子传输的稳定性和能量资源用于防御机制的适应性重新分配（Zhong 等，2025；Chen 等，2022a）。虽然这些微观层面的代谢响应是宏观系统稳定性的真正决定因素，但在极端 NPEO 压力下的具体代谢瓶颈、电子转移障碍和分子抗性网络仍大多未被探索（Zhong 等，2023；Fan 等，2025）。因此，解码这些复杂的代谢变化对于克服生物处理的生理瓶颈至关重要。
本研究重点关注 NP-10，该物质在工业中广泛应用，研究目的如下：(a) 评估其毒性；(b) 比较不同浓度 NP-10 对序批反应器（SBR）降解性能的影响；(c) 分析其对污泥物理化学特性的影响；(d) 研究在压力条件下微生物氧化途径和抗氧化酶活性的变化；(e) 明确微生物群落结构和组成的变化；(f) 进一步阐明在高 NP-10 压力下微生物系统在群落和遗传层面的适应性和抗性机制。通过这些研究，全面评估了好氧生物过程对高浓度 NPEO 废水的降解潜力，并提出了高效处理策略。
章节摘录
实验装置、流动模式模拟和污泥
实验室规模的矩形 SBR 反应器由亚克力板制成，尺寸为长 20 cm、宽 16 cm、高 33 cm（图 3a）。有效体积为 8 L，体积交换率为 15%。反应器顶部装有盖板 and 连接管，用于收集溢出的泡沫和液体。接种的污泥来自长春的一个市政污水处理厂，其中混合液悬浮固体（MLSS）浓度为 12,000 mg/L。
NP-10 的化学性质和生物毒性评估
为了评估 NP-10 对生物系统的影响，对其分子结构、生态毒性预测和急性毒性进行了系统评估。如图 1a 所示，NP-10（C??H??O??，MW = 660.89）由疏水的壬基酚基团和亲水的聚氧乙烯链组成。这种强烈的两亲性使其能够与疏水性底物相互作用并破坏亲脂性生物的膜完整性（He 等，2025）。Ecosar 的预测结果表明（图 1b）
结论
NP-10 具有显著的生态毒性，会在好氧微生物系统中诱导 ROS 的积累，并激活 soxR–marA–leuO 通路，从而触发应激反应并上调解毒因子。当浓度超过 500 mg/L 时，NP-10 会加剧对能量和电子传输的损害，而 EPS 合成和抗氧化过程会消耗电子和 ATP，导致资源竞争和生物量减少。由于反应器流体动力学的变化，生物量进一步下降。
CRediT 作者贡献声明
Xuejian Sun：撰写 - 原初草稿、可视化、方法学、研究、数据分析。Qing Qiu：撰写 - 原初草稿、方法学、研究。Fan Wang：监督、方法学、研究。Ji Wu：撰写 - 原初草稿、方法学、研究。Dejun Bian：撰写 - 审稿与编辑、项目管理、研究。Hongliang Huo：撰写 - 审稿与编辑、监督、研究、概念化。
作者声明他们没有已知的可能影响本文工作的利益冲突或个人关系。
本研究得到了国家自然科学基金（编号 U24A20186）和吉林省科学技术厅（编号 YDZJ202501ZYTS342）的共同资助。
Xuejian Sun|Qing Qiu|Fan Wang|Ji Wu|Dejun Bian|Hongliang Huo
