《Journal of Environmental Chemical Engineering》：Unveiling the mechanisms of phenol effects on anaerobic digestion of waste activated sludge: Insights from extracellular to intracellular perspectives
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摘要苯酚是一种广泛存在于工业废水中的有毒化学物质，但其对剩余活性污泥（WAS）厌氧消化的影响以及在长期胁迫条件下的微生物反馈机制仍不清楚。本研究系统地探讨了苯酚在WAS厌氧消化过程中胞外到胞内的作用机制。短期结果表明，苯酚呈现出明显的剂量依赖性响应：低浓度苯酚暴露（25&nb
摘要
苯酚是一种广泛存在于工业废水中的有毒化学物质，但其对剩余活性污泥（WAS）厌氧消化的影响以及在长期胁迫条件下的微生物反馈机制仍不清楚。本研究系统地探讨了苯酚在WAS厌氧消化过程中胞外到胞内的作用机制。短期结果表明，苯酚呈现出明显的剂量依赖性响应：低浓度苯酚暴露（25 mg/g TSS）增强了溶解过程，使最大甲烷产量提高了51%，而高浓度苯酚（100-200 mg/g TSS）则引发了严重的挥发性脂肪酸（VFA）积累和系统失效。机制研究表明，蛋白质是细胞外聚合物（EPS）中首个对苯酚胁迫产生响应的组分。苯酚与蛋白质结合会导致蛋白质二级结构发生变性，从而破坏EPS基质并释放结合的有机底物。然而，过量苯酚导致EPS物理屏障功能失效，破坏细胞膜并改变细胞生理状态。重要的是，长达120天的长期运行揭示了微生物群落持续苯酚胁迫下的适应策略。在驯化期间，属于阿米诺斯恩特目（Aminicenantales）的苯酚耐受细菌得到富集。并行的宏基因组分析发现，与斯特兰兰反应（Stickland reaction）相关的途径（grd，+41.99%）和限速产甲烷酶（mcr，+39.91%）的表达上调，表明这些途径在苯酚胁迫下维持产甲烷过程中可能发挥了潜在作用。
引言
剩余活性污泥（WAS）是活性污泥法的副产物，污水处理厂每年产生大量此类污泥[1]。其处理成本占污水处理厂运营维护成本的50%[2]、[3]。WAS中含有较高比例的有机物（约50-70%，包括蛋白质和碳水化合物）[4]。厌氧消化被认为是一种可持续技术，有助于实现"碳中和"目标[5]、[6]。然而，厌氧消化过程高度依赖各种功能微生物的协同作用，在实际运行中极易受到外源有毒污染物的干扰[7]、[8]。
酚类化合物广泛存在于各类废水中，包括焦化废水、石油化工废水、制药废水和填埋场渗滤液等[9]、[10]、[11]。欧盟和美国环境保护署已将苯酚及其衍生物列为重点关注的污染物[12]、[13]、[14]。在传统生物处理单元中，苯酚可通过与细胞外聚合物（EPS）之间的π-π相互作用在WAS中积累[15]、[16]。此外，苯酚还可通过天然芳香聚合物（如腐殖酸和单宁）的生物降解产生，或来自农药等异源化合物的降解[17]、[18]、[19]。值得注意的是，近年来推广的"化学需氧量（COD）捕获-厌氧资源回收"工艺应用于苯酚废水时，会将高浓度苯酚直接引入厌氧消化器[16]、[20]、[21]、[22]。例如，焦化废水中超过40%的苯酚可通过聚合反应去除[23]。然而，高浓度苯酚及其衍生物进入厌氧消化器对WAS的安全处置和资源回收构成了挑战。
苯酚的厌氧消化是一个复杂且缓慢的过程，仅能通过互营代谢进行[24]。此前关于苯酚抑制作用的研究主要考察了其在水处理系统中对产甲烷过程和微生物胞内毒性的影响。例如，已有报道指出30-200 mg/L的苯酚对厌氧消化过程中的水解、产酸和产甲烷影响不大[18]。苯酚浓度超过250 mg/L时则显著抑制有机物降解和沼气产生[19]。高浓度苯酚可破坏细胞膜并使关键酶失活，导致产甲烷完全受抑制[25]、[26]。然而，在实际WAS厌氧消化系统中，EPS是抵御外源物质的主要屏障。苯酚进入系统后首先与EPS相互作用，而非直接穿透细胞。因此，苯酚可能在胞外层面使EPS基质失稳并改变底物释放，同时干扰胞内代谢以抑制产甲烷。迄今为止，对于真实WAS厌氧消化系统中苯酚在胞外和胞内两个层面的影响仍缺乏系统性认识。
因此，本研究从胞外到胞内的视角系统地探讨了苯酚对WAS厌氧消化的影响。本研究旨在：(1) 探究不同浓度苯酚对WAS厌氧消化的短期效应及甲烷产率动力学变化；(2) 分析苯酚与污泥EPS组成及空间构象之间的反馈关系，及其对厌氧消化各阶段的影响；(3) 阐明苯酚对厌氧微生物生理状态、群落组成和核心代谢途径的影响。本研究深入揭示了苯酚在厌氧消化中的环境行为，并为高苯酚工业废水的"捕获-资源化"工艺提供了关键的运行极限和早期预警参数。
各部分节选
污泥和化学试剂的来源与特性
WAS取自中国北京市一家市政污水处理厂。使用不锈钢筛网去除无机物质（粒径大于2.0 mm，包括大型悬浮固体、砂粒及其他无机物）。经24 小时沉淀并去除上清液后，污泥储存在4°C条件下。接种污泥取自实验室中在嗜温温度（37±1°C）下运行的稳定半连续式厌氧消化器（SRT = 20天）。
苯酚对厌氧消化的短期效应
低浓度苯酚增强了甲烷产量，而高浓度苯酚则产生强烈抑制作用，表明具有典型的剂量依赖性响应（图1a）。在45天消化期内，对照组累计甲烷产量为80.52±1.94 mL/g VSS。在25 mg/g TSS时，最大产量为121.59±3.06 mL/g VSS，相比对照组提高了51%。在50 mg/g TSS时，产量为88.35±2.55 mL/g VSS，提高了9.71%。然而，在100 mg/g TSS时，
结论
本研究阐明了苯酚对WAS厌氧消化系统的毒性效应和适应机制。短期实验结果表明，苯酚对甲烷产量具有显著的剂量依赖性效应。在25 mg/g TSS的苯酚浓度下，甲烷产量提高了51%。机制分析表明，苯酚优先与EPS中的蛋白质结合，加速污泥溶解，而高浓度苯酚则严重抑制后续的
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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所报告的工作。
致谢
作者衷心感谢中央高校基本科研业务费（中国矿业大学（北京）博士研究生顶尖创新人才基金）（项目编号：BBJ2025057）以及山东省重点研发计划（重大科技创新项目）（项目编号：2025CXGC010905）提供的资金支持。
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