《Water Research》：Carbon Nanotubes-Mediated Alleviation of Diffusion Limitation and Syntrophic Metabolic Recoupling in Anaerobic Granular Sludge under Salinity Stress
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摘要厌氧颗粒污泥（AnGS）在盐度胁迫下的功能失稳仍然是厌氧生物技术的重大瓶颈，然而扩散限制与互营代谢失衡之间的联系尚不明确。通过使用螺旋对称流厌氧生物反应器（SSSAB），本研究阐明了 AnGS 中盐度诱导的扩散限制和碳纳米管（CNTs）介导的互营重新耦合。在高盐度（>10
摘要
厌氧颗粒污泥（AnGS）在盐度胁迫下的功能失稳仍然是厌氧生物技术的重大瓶颈，然而扩散限制与互营代谢失衡之间的联系尚不明确。通过使用螺旋对称流厌氧生物反应器（SSSAB），本研究阐明了 AnGS 中盐度诱导的扩散限制和碳纳米管（CNTs）介导的互营重新耦合。在高盐度（>10 g/L）下，胞外聚合物（EPS）组成和界面性质恶化，内部水分比例发生转变，扩散阻力增加。因此，AnGS 过早进入扩散限制状态，这可能会限制内部质量传递并破坏发酵细菌和产甲烷古菌之间的代谢协调，从而导致了产甲烷受限状态。产甲烷古菌丰度从 10? 降至 10? 拷贝/L，伴随着碱度耗尽和严重酸化。CNTs 通过同时改善代谢物运输和互营伙伴之间的电子交换，缓解了扩散限制并恢复了互营代谢耦合。表观干燥速率常数从 0.071 增加到 0.137 min-1，而电荷转移电阻从 3037 Ω 降低到 1299 Ω。增强的电子传递和代谢物运输恢复了甲烷代谢，特别是氢营养型产甲烷作用，最终驱动系统走向重新耦合的互营代谢。这些发现将盐度诱导的 AnGS 失稳与内部扩散限制联系起来，并表明 CNTs 通过恢复质量传递 - 电子传递耦合和促进互营代谢重新耦合来缓解这一限制。
引言
高盐有机废水约占全球废水排放量的 5%（Lv 等人，2025）。由于其在有机物降解和能源回收方面的高效率，厌氧生物技术已广泛用于处理此类废水（Shi 等人，2015）。然而，盐度引起的渗透冲击和离子效应会显著抑制厌氧微生物活性（Naufal 等人，2022；Yin 等人，2022），导致系统酸化、性能恶化以及厌氧颗粒污泥（AnGS）解体等运行不稳定问题。Su 等人（2025）发现，高盐度降低了处理含聚乙烯醇废水的厌氧系统的稳定性，化学需氧量（COD）去除率降至 43.3%。Fan 等人（2024）报道，在 50 g/L 盐度下，挥发性脂肪酸（VFA）的持续积累（435.0–511.5 mg/L）破坏了产酸与产甲烷之间的代谢平衡，导致系统酸化和甲烷抑制。此外，Song 等人（2021）观察到，在处理含盐肝素钠制药废水时，AnGS 从黑色变为灰色，表明其物理结构和功能性能均恶化。
大多数研究将高盐下 AnGS 的失稳归因于微生物群落和胞外聚合物（EPS）的变化。微生物通过调节 EPS 分泌和积累相容性溶质来应对渗透冲击（Song 等人，2021）。然而，这些反应会导致 EPS 组成失衡和关键功能微生物（特别是产甲烷菌）活性降低（Guo 等人，2023a；Guo 等人，2026），从而削弱互营代谢和颗粒结构稳定性。尽管如此，仅凭微生物群落和 EPS 变化的见解很难解释性能恶化。作为一种多孔生物聚集体，AnGS 依赖于内部底物和代谢物的扩散。AnGS 内的水分迁移和渗透性受水状态转变和盐度引起的孔隙结构变化影响（M?kel? 等人，2016；Zeng 等人，2025）。在高盐度下，自由水可转化为离子结合水（Wang 等人，2025），增加了分子迁移的能量势垒（Zhou 等人，2019），并可能限制包括 H? 和 VFA 在内的关键中间体的运输。因此，与 AnGS 内水状态转变相关的盐度诱导扩散限制可能是微生物群落演替和功能失稳的关键驱动因素。盐度相关的运输限制如何导致质量传递限制和互营失衡尚不清楚。
碳纳米管（CNTs）已作为导电材料被研究用于增强微生物电子传递，这得益于其优异的导电性和独特的纳米结构（Wang 和 Lee，2021；Zhou 等人，2024c）。据报道，在厌氧系统中添加 CNTs 可通过直接种间电子传递（DIET）和间接种间电子传递（IET）途径富集电活性细菌和产甲烷古菌，并促进种间电子传递（Zhou 等人，2024a）。Cai 等人（2024）证明，CNTs 可为胞外电子传递提供替代途径，并减少微生物对导电菌毛和其他电子传递组分的依赖。CNTs 还富集了互营细菌和类醌 EPS，这可能增强了 DIET 和 IET 介导的互营相互作用（Han 等人，2025）。
CNTs 提出的电子传递作用也得到了其与污泥和微生物细胞物理关联的支持。发现 AnGS 中 CNTs 与 EPS 之间存在紧密关联（Li 等人，2015；Ambuchi 等人，2017），而在纯培养中观察到 CNTs 与产甲烷细胞之间存在紧密的物理接触（Salvador 等人，2017）。这种胞外关联可为微生物电子传递提供导电界面。与这些观察结果一致，Li 等人（2015）发现，1 g/L 的 CNTs 加速了厌氧消化过程中的底物降解和甲烷产生。Qin 等人（2024）进一步报道，Fe?O?@CNTs 促进了 VFA 降解和甲烷产生。CNTs 还刺激了产甲烷菌纯培养中的甲烷产生，表明其有益作用可能不限于种间电子传递（Salvador 等人，2017；Martins 等人，2018）。这些发现为研究 CNTs 能否调节盐度胁迫下 AnGS 内部的物质传递和互营代谢提供了基础。
基于此，构建了一个螺旋对称流厌氧生物反应器（SSSAB），以研究盐度胁迫下 AnGS 在颗粒结构、质量传递和代谢行为方面的协同演化。本研究旨在阐明由 EPS 失衡驱动的结构恶化和水状态转变如何影响 AnGS 内部的物质传递，并明确扩散限制与发酵和产甲烷之间互营代谢失衡之间的内在关系。本研究进一步调查了 CNTs 是否能增强物质和电子传递，并促进从产甲烷受限代谢向互营代谢重新耦合的转变。这些发现为高盐废水的稳定厌氧处理提供了新的机制见解。
章节摘要
SSSAB 设置与运行策略
一个直径为 0.1 米、高度为 1.2 米、有效体积为 5 升、总体积为 7 升的 SSSAB 配备了三层螺旋挡板并连续运行（Chen 等人，2021）。接种的污泥取自江西省常轩食品科技有限公司处理大豆废水的全尺度 SSSAB。下层、中层和上层的混合液悬浮固体（MLSS）浓度分别为 47.63 ± 1.05、47.44 ± 0.50 和 26.67 ± 0.12 g/L，
添加 CNTs 下盐度胁迫的 SSSAB 性能与韧性
SSSAB 在 S1 期间（低盐启动阶段）表现出良好的性能（图 1）。当 VLR 增加到 55 kg COD/(m3·d) 时，COD 去除率在 16 天内从 40% 逐渐恢复到 75%，表明对有机冲击负荷具有较强的抵抗力。然后将 VLR 控制在约 40 kg COD/(m3·d)，进水 COD 为 15000 mg/L，水力停留时间为 9 小时。在这些条件下，COD 去除率稳定在 77% 左右。S1 期间 NH??-N 去除率为负值可能是由于
EPS 重构与界面性质演变
高盐度降低了 PN 和 PS 含量，其中 PN 含量受影响更大，且 PN/PS 比率降至与 AnGS 稳定性相关的水平以下（Lv 等人，2025），从而削弱了凝聚力。这种下降与产甲烷古菌丰度从 10? 降至 10? 拷贝/L 以及蛋白质和相关 EEM 信号的丧失相平行，表明代谢抑制导致了 EPS 失衡（Doloman 等人，2024）。相关的从疏水性向亲水性的转变
结论
高盐度下 AnGS 的恶化经历了三个阶段。在初始胁迫适应阶段，SSSAB 保持了高 COD 去除率（90%），尽管内部代谢已经开始恶化，证据是 PN/PS 比率和 ALK 下降。随着盐度持续，系统进入代谢失衡阶段，以 EPS 组成恶化、VFA/ALK 比率增加和严重酸化为特征。最终，AnGS 进入结构解体阶段，随着增加的
作者贡献
Luotong Ren：构思、调查、可视化、写作 – 初稿。Xiaoguang Chen：构思、资源、资金获取、监督、写作 – 审阅与编辑。Qianyi Su：调查、验证。Xiaoyue Liu：写作 – 审阅与编辑、方法学。
CRediT 作者贡献声明
Luotong Ren： 写作 – 初稿、可视化、调查、构思。Xiaoguang Chen： 写作 – 审阅与编辑、监督、资源、资金获取、构思。Qianyi Su： 验证、调查。Xiaoyue Liu： 写作 – 审阅与编辑、方法学。
利益冲突声明
作者声明以下可能被视为潜在利益冲突的财务利益/人际关系：
Chen Xiaoguang 报告说，获得了国家自然科学基金的财务支持。Ren Luotong 报告说，获得了中央高校基本科研业务费。如果有其他作者，他们声明没有已知的竞争性财务利益或可能影响工作的个人关系
致谢
该项目由国家自然科学基金（项目编号 52370067）和中央高校基本科研业务费（编号：CUSF-DH-T-2025066）资助。
Luotong Ren|Xiaoguang Chen|Qianyi Su|Xiaoyue Liu
东华大学环境科学与工程学院，中国上海 201620
