2022年12月国际环境领域著名期刊Water Research在线发表了我院张永明教授团队的最新研究成果“How Comamonas testosteroniand Rhodococcus ruber enhance nitrification in the presence of quinoline”(睾丸酮丛毛单胞菌和红球菌如何在喹啉存在情况下强化硝化反应)。本研究首次发现具强烈毒性的喹啉存在于硝化系统时，硝化污泥的生物活性会受到强烈抑制，但该抑制主要不是来自喹啉本身，而是来自于它的中间产物2-羟基喹啉。研究团队利用所筛选出睾丸酮丛毛单胞菌(C. testosteroni)和红球菌(R. ruber)加入到硝化活性污泥中加速喹啉和羟基喹啉的生物降解，进而加速硝化反应。为此，论文详细地介绍了C. testosteroni和R. ruber是如何在有喹啉存在的情况下提高硝化反应速率的。Water Research是环境领域的顶级期刊，最新影响因子为13.400。按CiteScore排名，Water Research位列环境类期刊第一位。
摘要•看点
在我国，许多工业废水经过一定程度的预处理后都会纳入市政管网进入城市生活污水处理厂做进一步的处理。但现实中，因工业废水的预处理系统出现故障或是设备泄漏等意外情况，一些有毒工业废水会直接进入到城市污水处理系统，导致城市污水处理效率急剧下降甚至崩溃。因为硝化污泥对有毒污染物极为敏感，一旦“中毒”，就会导致其生物活性急剧下降甚至失活，而硝化污泥的失活将会造成重大的水处理事故。为此，如何通过生物方法来化解工业废水的毒性，使城市生活污水的硝化反应正常进行是一个亟待解决的难题。本论文以喹啉为研究对象，模拟硝化污泥一旦遭遇喹啉时，通过加入C. testosteroni (睾丸酮丛毛单胞菌)和R. ruber (红球菌)，来缓解喹啉的毒性以维持硝化反应的正常进行。
研究结果表明，当有喹啉存在时，硝化反应速率急剧下降了74%，其结果如图1所示。但是，当C. testosteroni和R. ruber刚加入到硝化系统时，氨氮的去除速率和硝酸盐氮的生成速率并没有马上得到提高(如图2所示)。而是待喹啉的中间产物2-羟基喹啉经C. testosteroni和R. ruber的降解后，硝化反应才恢复到正常状态。图3表示的是C. testosteroni和R. ruber加入到硝化污泥之后，喹啉和2-羟基喹啉的降解情况。通过对比图2和图3，得到了本研究的重要发现，即抑制硝化反应的主要是喹啉的中间产物：2-羟基喹啉，而不是喹啉本身。
图1. 当有喹啉存在时，氨氮去除速率和硝酸盐生成速率都明显降低。
图2. 加入C. testosteroni和R. ruber后，待2-羟基喹啉降解后，硝化反应速率迅速提高。
图3. 当C. testosteroni和R. ruber加入到硝化污泥后，喹啉和2-羟基喹啉的降解情况。
本研究的另一重要发现就是，将C. testosteroni和R. ruber分别加入到硝化污泥(NS)中可以明显地富集Nitrospira (硝化螺旋菌)，其结果如图4所示。即当C. testosteroni和R. ruber分别加入到活性污泥后得到NS_C和NS_R，从图4中可以看到Nitrospira的丰度增加了一倍多。由于Nitrospira具有完全氨氧化的功能，因此这也解释清楚了为什么加入C. testosteroni和R. ruber可以提高硝化反应速率。
图4. 丰度位列前25的微生物群落分布
本论文得到清华大学环境模拟与污染控制国家重点联合实验室开放基金(16K10ESPCT)和上海高校青年教师培养资助计划(ZZssd20039)的资助。论文第一作者是我院环境科学与工程专业2019级博士研究生朱格同学，合作者包括美国工程院院士、斯德哥尔摩水奖获得者、美国亚利桑那州立大学Bruce E. Rittmann教授等，张永明、李默老师为共同通讯作者。
（供稿：环境工程系）
