《Environmental Technology & Innovation》：New perspective on the simultaneous removal of tetracycline, nitrate, and Cu(II) in a moving bed biofilm reactor enhanced by bioactive substances
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本研究探讨了移动床生物膜反应器（MBBR）在生物活性物质（鼠李糖脂、β-环糊精和腐殖酸）强化下同步去除四环素（TEC）、硝酸盐氮（NO??-N）和铜离子（Cu2?）的性能与机制。研究人员通过为期150天的五阶段运行实验，评估了不同生物活性物质对MBBR脱氮性能
本研究探讨了移动床生物膜反应器（MBBR）在生物活性物质（鼠李糖脂、β-环糊精和腐殖酸）强化下同步去除四环素（TEC）、硝酸盐氮（NO??-N）和铜离子（Cu2?）的性能与机制。研究人员通过为期150天的五阶段运行实验，评估了不同生物活性物质对MBBR脱氮性能、酶活性、胞外聚合物（EPS）荧光特性、活性氧（ROS）水平、细胞凋亡、Cu2?形态转化、TEC降解路径及微生物群落结构的影响。结果表明，鼠李糖脂和腐殖酸显著提升了NO??-N、TEC和Cu2?的去除效率，而β-环糊精在该浓度下表现出抑制作用。酶活性分析显示，鼠李糖脂添加阶段乳酸脱氢酶（LDH）和过氧化物酶（POD）活性升高，EPS中蛋白质（PN）和多糖（PS）含量显著增加。XPS分析证实Cu2?可通过形成CuO和Cu?(OH)?CO?沉淀去除，同时部分Cu2?被还原为Cu?。TEC降解路径涉及脱甲基、脱羟基、氧化开环及脱水等反应。ROS检测与细胞凋亡分析表明，生物活性物质可调节ROS水平并影响细胞存活状态。微生物群落分析揭示变形菌门（Proteobacteria）为优势菌门，相对丰度超过58.30%，在同步去除过程中发挥关键作用。冗余分析（RDA）显示COD、TEC、TN和Cu2?是影响微生物群落的主要环境因子。该研究为含重金属、抗生素和营养盐废水的生物处理提供了科学依据。
论文解读：移动床生物膜反应器中生物活性物质强化同步去除四环素、硝酸盐与Cu(II)的机制研究
一、研究背景与科学问题
近年来，工业、农业及城市发展过程中排放的大量废水同时含有氮素、抗生素和重金属等污染物，传统污水处理工艺难以实现此类复合污染物的高效同步去除。氮素可导致水体富营养化，抗生素诱导抗性基因传播，重金属具有生物累积毒性，三者共存时对生态环境和人体健康构成严重威胁。移动床生物膜反应器（Moving Bed Biofilm Reactor, MBBR）作为一种先进的微生物固定化技术，通过将生物载体与微生物结合形成稳定生物膜，具有处理效率高、能耗低、占地面积小等优点，已在有机质和氮磷去除方面展现出良好效能。然而，MBBR对含重金属废水的处理效果尚不理想，且对四环素（Tetracycline, TEC）与重金属、硝酸盐复合污染同步去除的研究仍十分有限。为提高MBBR对复合污染物的去除能力，研究人员尝试向反应器中添加生物活性物质，如鼠李糖脂（rhamnolipid）、β-环糊精（β-cyclodextrin, β-CD）和腐殖酸（humic acid），这些物质可通过改变细胞膜通透性、加速电子传递、促进微生物代谢等方式强化生物处理过程。已有研究表明，鼠李糖脂可提高反硝化反应器中的NO??-N去除率和生物膜含量；β-CD能增强硝酸盐还原过程中的膜通透性和电子交换密度；腐殖酸可作为碳源促进微生物生长并提高脱氮效率。然而，三种生物活性物质对同步去除TEC、硝酸盐和Cu2?的对比研究尚属空白，其作用机制及微生物群落响应规律亟待阐明。因此，本研究在MBBR中系统评估了不同生物活性物质对复合污染物去除性能的影响，并深入探究酶活性、EPS特性、活性氧（ROS）水平、细胞凋亡、Cu2?归宿及微生物群落结构变化，旨在为含重金属、抗生素和营养盐废水的协同处理提供理论依据。
二、研究设计与技术方法
研究人员构建了工作体积为1.5 L的MBBR，采用玉龙悬浮聚乙烯填料，填充率为40%。整个实验分为五个阶段（CK、R、B、H、M），每阶段运行30天，总运行时长150天。第一阶段不添加生物活性物质作为对照，第二至第五阶段依次向进水中加入5 mg·L?1的鼠李糖脂、β-CD、腐殖酸及其混合物。合成废水含NaNO?、K?HPO?·3H?O、CuCl?·3H?O、C?H?Na?O?、MgCl?·6H?O、CaCl?、TEC及微量元素，溶解氧（DO）控制在1±0.5 mg·L?1，pH为7.0±0.5，水力停留时间24 h。关键方法包括：采用试剂盒测定乳酸脱氢酶（LDH）和过氧化物酶（POD）活性；通过三维激发-发射矩阵（3D-EEM）荧光光谱分析EPS组分，并用蒽酮-硫酸法和改良Lowry法分别测定多糖（PS）和蛋白质（PN）含量；利用X射线光电子能谱（XPS）分析生物膜表面元素形态；采用液相色谱-质谱联用（LC-MS）鉴定TEC降解产物；通过流式细胞术结合Annexin V-FITC/PI双染法检测细胞凋亡，使用H?DCFH-DA荧光探针检测ROS水平；基于Illumina MiSeq平台对16S rRNA基因V3-V4区进行高通量测序，并构建共现网络和冗余分析（RDA）。水样中NO??-N、NO??-N、TN、COD、Cu2?和TEC浓度分别采用紫外分光光度法、碱式过硫酸钾消解-紫外分光光度法、快速消解分光光度法、火焰原子吸收光谱法和超高效液相色谱法（UPLC）测定。
三、研究结果与讨论
3.1 MBBR运行性能与复合污染物去除效能
各阶段平均NO??-N去除率分别为65.15%（CK）、87.22%（R）、47.42%（B）、77.43%（H）和77.61%（M）。鼠李糖脂和腐殖酸阶段显著提升了反硝化效率，而β-CD阶段去除率低于对照，表明5 mg·L?1的β-CD可能抑制了电子传递和微生物活性。NO??-N积累在添加生物活性物质后均有所降低（2.24%–3.02%对比8.38%）。TN去除率以鼠李糖脂阶段最高（80.83%），腐殖酸和混合物阶段次之。COD去除率在鼠李糖脂阶段最高，TEC去除率顺序为R（82.18%）>M（79.40%）>H（75.81%）>CK（73.13%）>B（69.46%）。Cu2?去除率同样在鼠李糖脂阶段达到峰值。总体而言，生物活性物质可增强MBBR对复合污染物的同步去除能力，但β-CD需优化浓度。
3.2 酶活性响应规律
LDH和POD活性在CK、R、H、M阶段均于8 h或12 h达到峰值，随后因持续胁迫导致细胞膜通透性增加甚至破裂而下降。β-CD阶段酶活性峰值出现在0 h，这可能与不同物质引起的微生物代谢行为差异有关。鼠李糖脂可降低微生物压力，腐殖酸能加速代谢，混合物质则可能提供多种有益化学组分促进生物膜活性表达。
3.3 EPS荧光特性与组分变化
3D-EEM光谱鉴定出四个特征峰：溶解性微生物副产物（峰A）、芳香族蛋白质（峰B）、腐殖酸类物质（峰C）和富里酸类物质（峰D）。富里酸类仅在B组24 h出现，其余阶段均检测到前三类物质。EPS中PN浓度占EPS总量60%以上，PN/PS比值在2.21–3.13之间波动。β-CD阶段PS含量最高，与较低的NO??-N、Cu2?和TEC去除率相对应。鼠李糖脂阶段EPS总量增加，为微生物提供了更多吸附位点，促进污染物去除。
3.4 Cu2?形态转化与TEC降解路径
XPS分析显示，生物膜表面C1s谱含C-C、C-O-C和O-CO结构，O1s谱显示C-O/O-H官能团。Cu2p谱中933.32/933.51/933.98 eV和953.90/953.33/953.70 eV峰分别对应Cu2p3/2和Cu2p1/2，表明存在CuO及Cu?(OH)?CO?沉淀。Cu LMM俄歇峰在913.90–915.19 eV处确认了Cu?的存在，说明部分Cu2?被还原。因此，沉淀和还原是Cu2?的重要去除机制。LC-MS鉴定出TEC降解涉及脱甲基、脱羟基、氧化、开环、脱水和缩醛反应等途径，降解产物可能仍具有生态毒性。
3.5 ROS水平与细胞凋亡
ROS检测表明，CK阶段0 h时ROS值最高，可能因缺乏生物活性物质导致有机物未充分去除而加剧氧化应激。鼠李糖脂阶段在8 h达到ROS最大值，推测与细菌种群调整和代谢增强有关。β-CD、腐殖酸和混合物阶段ROS峰值出现在20 h，且高于CK，可能因反硝化菌数量最多导致集体代谢产生过量ROS。Annexin V/PI染色显示，CK阶段活细胞比例从48.73%降至30.75%，鼠李糖脂阶段从47.28%降至36.48%，说明细胞逐渐进入凋亡或坏死状态，有利于生物膜循环生长，但过量ROS会损害细胞功能。
3.6 微生物群落结构与生态网络
属水平和目水平的分子生态网络显示，连接度最高的节点分别为Gp6和Opitutales，它们在维持群落稳定中起关键作用。门水平上，变形菌门（Proteobacteria）为优势菌门（相对丰度>58.30%），酸杆菌门（Acidobacteria）在阶段IV达到最高值22.42%，拟杆菌门（Bacteroidetes）在阶段III占15.07%。这些菌门均含有反硝化功能基因。RDA分析表明，影响微生物群落的环境因子顺序为COD>TEC>TN>Cu2?，RDA1和RDA2分别解释总变异的54.71%和23.51%。红螺菌科（Rhodococcaceae）与环境因子正相关。模拟结果证实，鼠李糖脂和腐殖酸具有促进作用，β-CD具有抑制作用，各阶段综合去除能力排序为R>H>M>CK>B。
四、研究结论与意义
研究得出以下结论：MBBR可通过添加生物活性物质实现废水中NO??-N、TEC、Cu2?和COD的同步有效去除；鼠李糖脂和腐殖酸正向提升反应器性能，其中鼠李糖脂效果优于腐殖酸；当鼠李糖脂浓度为5 mg·L?1时，LDH和POD活性显著升高，总EPS浓度增加；鼠李糖脂可缓解生物膜细胞的ROS反应并提高活细胞比例；变形菌门在同步去除NO??-N、Cu2?和TEC过程中发挥关键作用。该研究为实际废水中重金属、抗生素和营养盐复合污染的协同治理提供了技术参考和理论支撑，强调了生物活性物质类型与剂量优化的重要性。
