活性污泥系统中连续投加3,5-二氯酚对剩余污泥减量的影响及其微生物群落动态机制研究

　　本研究针对活性污泥法处理污水过程中剩余污泥产量高、处理成本大的问题，探讨了通过进水持续投加3,5-二氯酚（3,5-DCP）以实现污泥减量的新策略。研究结果表明，该方法在维持高CODCr去除效率（＞85%）的同时显著降低污泥产率（3.7%），并发现专性需氧菌Leadbetterella和严格厌氧菌Clostridium sensu stricto 13的适应性增长。该研究为优化污水厂污泥管理及微生物群落调控提供了创新思路和理论依据。

　　

污水处理是现代城市环境治理的重要环节，而活性污泥法作为其中广泛应用的技术，却面临一个棘手的难题：在处理有机污染物的同时，会产生大量剩余污泥。这些污泥的处理和处置不仅成本高昂，还可能带来二次污染。多年来，研究者致力于寻找减少污泥产量的方法，其中“解偶联代谢”策略备受关注——通过添加某些化学物质干扰微生物的能量代谢，使其在降解污染物的同时减少自身增殖。

在众多解偶联剂中， chlorophenols（氯酚类）化合物显示出较好的应用潜力，而3,5-二氯酚（3,5-DCP）被证明是其中效果最显著的异构体之一。然而，以往的研究多采用直接向反应器投加的方式，这种方法易因进水稀释导致浓度波动，不仅降低处理效果，还可能引发微生物耐药性。为此，Zen-ichiro Kimura、Yoshiki Shinto、Arisa Kado和Yuki Iwasaki等研究者开展了一项创新研究，尝试将3,5-DCP通过进水连续投加，以维持其在系统中的稳定浓度，从而探索其对污泥减量、处理效能及微生物群落结构的长期影响。

该研究团队来自日本国立工业高等专门学校（KOSEN）吴校区。他们采用化学恒化反应器（chemostat reactor），以人工配水为底物，进行了长达75天的持续实验。实验中，一组反应器投加100 μM 3,5-DCP，另一组作为对照。通过监测混合液挥发性悬浮固体（MLVSS）浓度、化学需氧量（COD_Cr）去除率及污泥产率等指标，并结合16S rRNA高通量测序与多维尺度分析（MDS）解析微生物群落动态，系统评估了3,5-DCP的长期影响。

主要技术方法包括：使用化学恒化反应器进行长期污泥培养与3,5-DCP暴露实验；通过光谱法测定MLVSS浓度，并计算污泥产率；采用TOC分析仪间接测定COD_Cr去除效率；利用Illumina MiSeq平台进行16S rRNA测序，并通过QIIME和MAFFT等工具分析微生物群落结构与系统发育关系；基于Bray-Curtis相异指数进行多维尺度分析（MDS），以可视化群落动态变化。

研究结果主要包括以下方面：

3.1. 污泥处理指标的运行分析

实验数据显示，投加3,5-DCP显著抑制了污泥增殖。至第75天，对照反应器的MLVSS浓度达到约2.02 g/L，而3,5-DCP处理组仅为1.65 g/L。尽管生物量增长减缓，两组系统的COD_Cr去除效率均保持较高水平（对照约85%，处理组约88%）。特别值得注意的是，处理组的单位污泥COD_Cr去除率（约0.19 g COD_Cr/g MLVSS/天）高于对照组（约0.15 g COD_Cr/g MLVSS/天），表明3,5-DCP可能提高了微生物的代谢效率。最终，对照组污泥产率为5.5%，而3,5-DCP处理组降至3.7%，证实该策略可实现更高效的污泥减量。

3.2. 3,5-DCP处理对微生物群落动态的影响

微生物群落分析揭示了显著变化。初期两组群落结构相似，均包含放线菌（Actinobacteria）、拟杆菌（Bacteroidia）、浮霉菌（Planctomycetes）和γ-变形菌（Gammaproteobacteria）等多类群。随着时间推移，处理组群落发生定向演变，至第75天，严格厌氧菌Clostridium sensu stricto 13成为绝对优势菌（相对丰度约40%），而对照组保持较高多样性。同时，专性需氧菌Leadbetterella在处理组中持续存在。MDS分析进一步证实，从第26天起，处理组群落与对照组明显分离，且随时间推移差异加剧，表明3,5-DCP的连续投加对微生物群落构成了持续选择压力。

在讨论部分，研究者指出，3,5-DCP通过干扰质子动力（proton-motive force）抑制氧化磷酸化（oxidative phosphorylation），从而减少能量用于生物合成，降低污泥产率。Leadbetterella作为专性需氧菌的持续存在，可能是其降解复杂有机物的能力维持了系统处理效能。而Clostridium sensu stricto 13的富集则可能源于污泥絮体内部形成的缺氧微环境，该菌作为严格厌氧菌，很可能通过底物水平磷酸化（substrate-level phosphorylation, SLP）途径产生ATP，尽管能量效率较低，但适应了解偶联剂造成的氧化磷酸化抑制，这从机制上解释了污泥减量效应。

与以往研究相比，本研究采用的进水投加策略避免了浓度波动，未出现如先前报道中Brevundimonas富集及污泥耐药性发展的问题，凸显了投加方式对处理效果及群落演替的关键影响。

该研究的结论表明，通过进水连续投加3,5-DCP是一种可行的污泥减量化策略，可在保持污水处理效能的同时显著降低剩余污泥产量。微生物群落分析揭示了Clostridium和Leadbetterella等关键菌群的适应性变化，为理解解偶联剂作用下的微生物代谢调控提供了新视角。研究者建议，未来实际应用中需关注3,5-DCP及可能产生的氯化副产物在出水中的残留风险，并可通过吸附抛光及闭环再生等技术优化运行安全性。这一研究为发展可持续、低成本的污水厂污泥管理技术提供了重要理论和实践依据。

论文发表于《Dentistry Review》，但需注意该期刊名称与研究内容可能存在不匹配，实际发表情况应以原文标注为准。