研究简介:高海拔污水处理系统中汞（Hg）含量较高，会降低处理效率。在这些条件下驯化的活性污泥与低海拔条件下的活性污泥相比，具有明显的微生物特征，可能影响其对汞胁迫的响应。本研究采用宏基因组测序、酶活性检测和代谢组分析，研究了低压驯化（65 kPa 和 72 kPa）活性污泥在短期汞(II)胁迫下的氮转化及氧化应激反应。结果表明在汞(II)胁迫下，低压污泥中的硝化和反硝化过程受到更显著的抑制，功能基因表达和关键酶活性下降幅度也比正常压力（100 kPa）下更大。这种现象归因于碳代谢紊乱、电子传递链（ETC）功能受损以及抗氧化防御系统减弱。低压环境促进了乙酸代谢，并改变了与电子传递链相关的基因丰度，从而影响了电子流动，增加了汞环境下电子泄漏的可能性。（II）压力最终导致污泥中活性氧物种生成增加，加剧氧化应激。代谢组学分析进一步表明，在暴露于Hg(II)后，低压污泥表现出更明显的脂质过氧化、三羧酸循环紊乱以及嘌呤代谢失调。这些变化加重了氧化应激，并降低了微生物对污染物胁迫的抵抗力。此外，基因表达分析显示，Hg还原相关基因（merA）表达降低，而Hg甲基化相关基因（hgcA）表达升高。这些发现揭示了在低压条件下驯化的活性污泥对Hg(II)胁迫具有高度敏感性，凸显了高海拔地区污水处理系统在污染物抵抗方面的不同特性。


Unisense一氧化二氮微电极的应用


Unisense（丹麦）溶解 N₂O 微传感器装配在短期 Hg(II) 胁迫试验的 250 mL 工作体积亚反应器中进行原位监测，而非破坏性取样后离线分析。研究人员将经标定后的 N₂O 微传感器探头插入反应器液相主体（或紧贴泥水界面区域），在 7 h 工况运行期间（前 3.5 h 缺氧相 → 后 3.5 h 好氧相）连续或准连续记录溶解 N₂O 信号的动态变化。将微传感器输出的溶解 N₂O 浓度时间序列代入质量传输框架，结合 N₂O 的液–气传质系数校正液相向气相的逃逸损失，从而反推出N₂O-N 的实际生成量 G（mg N₂O-N）以及单位脱氮所对应的N₂O 产排比例。Unisense 微传感器在负责把主因（低气压驯化削弱抗 Hg 能力）的后果从"氮去除率降低"进一步钉死到"过程气体通量升高"这一可量化、可机制化的过程变量上，从而使结论同时具备工艺意义（高原污水厂不稳）和环境意义（N₂O 增排风险）。


实验结论


本研究探讨了在汞(II)胁迫条件下，低压力驯化对活性污泥中氮转化、微生物功能及氧化应激反应的影响。结果表明，低压力驯化的污泥对汞(II)的敏感性更高，硝化和反硝化过程均受到抑制。宏基因组和酶活性分析显示，这种影响与低压力驯化导致碳代谢紊乱、电子传递链（ETC）效率下降以及抗氧化防御能力减弱密切相关。代谢组学分析进一步发现，低压力条件下的污泥在暴露于汞(II)胁迫时，脂质氧化增强，三羧酸循环功能受损，抗氧化通路失调。这些代谢变化导致活性氧（ROS）积累增加，最终降低了微生物的抗性。此外，高海拔驯化污泥中汞还原相关基因表达降低，而汞甲基化相关基因表达升高，进一步削弱了其对汞(II)胁迫的抵抗能力。

图1、短期暴露于Hg(II)对三种驯化活性污泥系统在典型SBR周期中氮转化的影响：硝酸盐-N（A）、亚硝酸盐-N（B）、铵态氮（C）浓度的变化，硝酸盐-N和铵态氮的去除效率（D），以及N2O-N生成量（E）。

图2、短期暴露于Hg(II)对三种驯化活性污泥系统中TCA循环酶活性、ATP水平和NADH水平的影响。

图3、短期暴露于Hg(II)对三种驯化活性污泥系统中N转化功能基因表达水平及关键酶活性的影响。


图4、示意图展示了三种驯化活性污泥系统中活性氧（ROS）的生成以及抗氧化酶的功能（A）；短期暴露于汞(II)对ROS产生（B）、超氧化物歧化酶（SOD）活性（C）和过氧化氢酶（CAT）活性（D）的影响。

图5、在短期汞(II)胁迫下，不同压力条件下活性污泥适应过程中，关键代谢通路的变化，包括不饱和脂肪酸、泛酸和辅酶A的生物合成、三羧酸循环、嘌呤代谢以及谷胱甘肽代谢及其相关代谢物的变化。


结论与展望


本研究以青藏高原等高海拔低气压地区城镇污水处理厂生物处理效率频繁不达标为背景，聚焦“低气压驯化活污泥 + 进水汞(Hg)胁迫”的耦合效应，系统揭示高海拔驯化活性污泥对Hg(II)胁迫抵抗力下降的机制。研究通过模拟高海拔低气压环境（65、72、100 kPa）下活性污泥对汞（Hg(II)）胁迫的响应，揭示了低气压驯化显著降低污泥抗Hg能力的机制：低气压驯化重塑了微生物碳代谢与电子传递链（ETC）功能——乙酸代谢增强但TCA循环关键基因（如CS、IDH3）丰度下降，导致NADH供给不足；ETC复合体Ⅰ/Ⅲ基因丰度升高而复合体Ⅳ/Ⅴ降低，引发电子漏增加，ROS过量产生。抗氧化防御系统被削弱（如sod2、katG、gpx基因表达下调），无法平衡Hg胁迫诱导的氧化应激，造成脂质过氧化、TCA循环紊乱及嘌呤代谢失调。此外，低气压污泥表现出Hg吸收（merP/merT）增强但还原解毒（merA）减弱，且甲基化基因（hgcA）表达升高，进一步加剧Hg毒性。上述变化共同导致硝化（NH₄⁺-N氧化率最低降至45%）和反硝化（NO3⁻-N残留增加、NO2⁻-N积累、N2O排放升高）过程显著受抑，且压力越低，抑制作用越强。本研究为高海拔地区污水厂应对Hg污染提供了理论基础，未来需通过多尺度研究推动成果转化，保障高原水环境安全。