三氯卡班（TCC）是一种光谱类抗菌剂，其已成为环境中检出频率较高的一类污染物。TCC在水中难降解，且其具有生态毒性，因此对生态环境构成潜在威胁。TCC具有中度疏水性和亲脂特性，其在污水生物处理过程中会吸附在污泥等悬浮固体上进而影响污泥内微生物的活性行为及功能基因表达。TCC能抑制人类和动物的生长发育，Kajta等将神经元细胞暴露于TCC24h后，ESR1和GPER1的mRNA及蛋白质表达受到不同程度的抑制。近年来，关于TCC在污水处理中的影响行为及效应得到了广泛关注。

污水处理厂是污水进入自然环境的最后一道屏障。Wang等报道了以长沙为代表的中国中部地区的5座污水处理厂内TCC浓度高达0.06~0.76mg/L。Wang等调查活性污泥法去除TCC时发现，TCC的去除主要依赖活性污泥的吸附行为，且TCC降低了活性污泥对营养盐的去除效果。此外，经过活性污泥处理后，TCC的生态毒性降低，IC50降低至0.54mg/L，TCC还会影响活性污泥群落中硝化细菌和反硝化细菌的丰度。进一步研究发现，反硝化细菌主要通过非均相多层吸附去除TCC，且活性污泥内羟基、酰胺和多糖是吸附位点。在酶活性抑制方面，TCC能抑制生物脱氮（BNR）过程中氨单加氧酶（AMO）、硝酸还原酶（NAR）和亚硝酸盐还原酶（NIR）的活性。N2O是活性污泥反硝化脱氮过程释放的温室气体，而TCC的暴露对生物反硝化脱氮的影响行为及N2O释放特征的研究仍较匮乏。因此，有必要考察TCC暴露对活性污泥反硝化脱氮及N2O释放的影响，并阐释其中的机制。

笔者考察了TCC对生物反硝化脱氮系统运行效能及N2O释放特征的影响。首先，研究TCC浓度对反硝化系统运行效能及N2O释放特征的影响；随后，分析了TCC对反硝化脱氮系统中污泥特征的影响；最后，探讨了TCC暴露对反硝化系统中微生物代谢活性的影响。旨在为反硝化脱氮系统处理含TCC废水提供一定的数据支撑，并为温室气体的减排提供理论依据。

1、材料与方法

1.1 实验材料

接种污泥来源于城镇污水处理厂二沉池，该污水厂主要采用好氧/厌氧工艺处理城镇低C/N污水。取回后的接种污泥采用2.0mm筛网过滤后备用。接种污泥的主要特征如下：pH为7.1，总悬浮固体（TSS）为4.2g/L，挥发性悬浮固体（VSS）为3.8g/L，胞外聚合物（EPS）为79.5mg/g。

实验用水为不含TCC的人工合成污水，合成污水中碳源和氮源分别由丙酸钠和氯化铵提供，且COD浓度为500mg/L、NH4+-N浓度为200mg/L。进水NO2--N和NO3--N浓度可以忽略。此外，向人工合成污水中添加2.0mL/L的微量元素储备液，微量元素储备液的主要构成如下：1.50g/L的FeCl3·6H2O、0.15g/L的CoCl2·6H2O、0.15g/L的H3BO3、0.12g/L的MnCl2·4H2O、0.12g/L的ZnSO4·7H2O、0.06g/L的Na2MoO4·2H2O、0.03g/L的KI和0.03g/L的CuSO4·5H2O。

TCC购买于上海某生物医药有限公司，购买后的TCC存贮于恒温冰箱内，并将0.5g的TCC置于1.0L的纯净水中，配制成浓度为500mg/L的TCC母液。TCC的纯度超过98%，相对密度为1.534，熔点为254~256℃。

1.2 实验方法

实验设置4组相同的序批式反应器（SBR），有效工作容积为5.0L，反应器底部设有机械搅拌装置，工作时控制转速为200~1500r/min。SBR侧面设有进、排水口，直径为2.0cm。每组反应器内引入2L接种污泥和3L合成污水。鉴于TCC在实际污水中的背景浓度和文献推荐值，以及未来TCC生产与消耗量的不断增加，TCC在水环境尤其是污水中的背景浓度将持续增加，因此实验中选取的TCC浓度分别为1、5和10mg/L。其中一组反应器不注入TCC母液，将其作为对照组。SBR每日运行3个周期，每个周期的具体运行模式如下：快速进水2min、缺氧118min、好氧曝气150min、沉淀出水30min和闲置180min。在好氧末期排泥64mL以保证污泥停留时间为18d。各组SBR在室温为31~35℃的恒温空调房内运行，每个周期的体积交换率为66%。

1.3 分析项目及方法

按标准方法测定COD、NH4+-N和TN浓度。采用N2O-NP®微传感器测定N2O浓度，并根据上述方法计算N2O总排放量，进而计算N2O的释放速率。采用ROS试剂盒检测活性氧（ROS）和乳酸脱氢酶（LDH）释放量。毛细吸水时间（CST）通过CST测定仪测定。污泥的TSS、VSS、SVI等指标参照文献测定。EPS采用热提取法检测，具体流程如下：将50mL污泥样品离心（550r/min）15min，然后将0.01mol/L的NaCl加入样品中洗涤1~2次，去除上清液后，添加0.01mol/L的NaCl使污泥悬浮至50mL，蛋白质（PN）采用改良的劳利法测定，多糖（PS）采用苯酚硫酸法测定。

2、结果与讨论

2.1 TCC对反应器性能的影响

图1为TCC对BNR系统中COD和含氮物质去除效果的影响。可以看出，低浓度TCC（1mg/L）未对COD、NH4+-N和TN的去除效果产生显著影响，稳定运行时期，对照组和1mg/LTCC组别中COD、NH4+-N和TN的去除率均维持在86.6%~89.9%、95.2%~96.8%和74.2%~76.8%。当TCC浓度达到5mg/L以上时，COD和TN去除率明显下降。而当TCC浓度达到10mg/L时，对NH4+-N的去除效果才受到抑制。当TCC浓度为10mg/L时，对COD、NH4+-N和TN的去除率分别降至80.6%~82.3%、90.8%~92.5%和64.4%~65.2%。上述结果表明，TCC对污染物和营养盐的去除与其剂量相关，高浓度TCC抑制了反硝化系统对COD、NH4+-N和TN的去除。在污染物去除方面，TCC抑制活性污泥去除污染物的机制包括直接抑制微生物活性、影响微生物群落结构以及通过耦合反应降低污泥中TCC的富集等。

在生物脱氮方面，Zhang等证实TCC会对脱氮微生物产生负面影响，当TCC浓度达到25μg/L时会阻碍反硝化作用，并且在浓度达到50μg/L时可完全抑制该过程。本实验中，当TCC浓度达到1mg/L时仍未对生物脱氮产生抑制作用的原因在于选用的接种污泥富含混合菌，而Zhang等所采用的为纯菌ParacoccusdenitrificansPD1222。因此，在传统反硝化活性污泥中，接种物为混合菌群时，低于1mg/L的TCC未能影响COD和生物脱氮过程，而当超过5mg/L时则降低了COD和生物脱氮效率。

2.2 TCC对N2O释放特征的影响

在生物反硝化过程中也会产生N2O，其是一种比CO2具有更强温室效应的气体。N2O的排放不仅对气候变化有显著影响，还参与臭氧层的破坏，会对环境和人类健康构成威胁。图2为TCC对反硝化脱氮过程中N2O释放速率的影响。可以看出，TCC提高了N2O的释放速率。当TCC浓度达到5mg/L以上时，N2O释放速率显著提高，尤其是10mg/L的TCC组别，其N2O释放速率提高至8.9~10.2μg/min，显著高于对照组在稳定时期的6.1~6.8μg/min。TCC可能抑制反硝化过程中的关键酶，如亚硝酸盐还原酶（NIR）和一氧化氮还原酶（NOR），导致N2O不能被有效还原为氮气，从而增加N2O的释放。此外，还发现TCC的存在可能会改变反硝化系统中微生物的群落结构，选择性地促进或抑制某些微生物的生长，进而影响N2O的产生和释放。

2.3 TCC对反硝化污泥特征的影响

TCC对反硝化污泥浓度及有机质占比的影响如图3所示。可以看出，低浓度TCC未对反硝化污泥浓度及有机质占比产生显著影响。稳定时期，对照组和低浓度TCC组别的TSS浓度和有机质占比分别为4.15~4.32g/L和75.4%~78.5%。当TCC浓度超过5mg/L时则降低了反硝化污泥浓度及有机质占比，且存在TCC浓度越高，污泥浓度和有机质占比下降越显著的特点。当TCC浓度为10mg/L时，稳定时期TSS浓度下降至3.59~3.64g/L，有机质占比下降至65.4%~67.6%。Wang等发现，高浓度TCC会降低活性污泥浓度，这与本实验结果一致。TCC具有抗菌特性，可能会直接抑制活性污泥中微生物的生长和代谢活动，导致微生物浓度下降。TCC可能会干扰微生物的代谢途径，特别是与能量产生和物质代谢相关的途径，导致微生物生长受阻，进而影响污泥浓度。

图4为TCC对反硝化污泥沉降及脱水性能的影响。可知，低浓度TCC未对污泥沉降和脱水性能产生显著影响。在稳定时期，对照组和低浓度TCC组别的SVI和CST分别为65.9~72.5mL/g和31.3~36.5s。TCC浓度达到5mg/L以上时可提高SVI并延长CST，降低污泥的沉降和脱水性能，尤其当TCC为10mg/L时，稳定时期SVI和CST分别为89.6~92.5mL/g和45.6~48.5s。TCC是一种广谱抗菌剂，会抑制污泥中微生物的生长，这可能导致污泥中的微生物群落结构发生变化，影响其降解能力和稳定性。此外，高浓度TCC会影响污泥的黏性和流变特性，从而影响其沉降性能。高浓度TCC组别的污泥沉降性能下降，导致部分污泥在沉淀出水期未能完全沉降，进而随排水流失，降低了污泥浓度，这与图3中TSS的结果相一致。反硝化污泥的后续过程需要脱水外运，高浓度TCC的暴露延长了污泥CST，降低了污泥的脱水性能。TCC可能会改变污泥的结构和性质，导致污泥颗粒之间的聚集增多，从而增大了污泥的黏性和附着性，提高了污泥比阻和CST。高浓度TCC能促进细胞外电荷的增加，进而导致静电斥力增强，污泥沉降性能下降。

EPS对污泥颗粒的黏附和胶结具有重要作用，可影响污泥的结构稳定性和沉降性。TCC会改变EPS的黏性和稳定性，从而影响污泥结构和沉降性。图5为TCC对生物反硝化污泥中EPS含量及组分的影响。从图5（a）可知，低剂量TCC组别的EPS含量与对照组相似，始终处于84.6~89.5mg/g之间，而高浓度TCC则提高了EPS含量，尤其当TCC为10mg/L时，EPS含量增至112.3~115.8mg/g，远高于其他组别。当污泥系统受到外源性污染物（如重金属、有毒化学物质、有机污染物等）的影响时，微生物会产生应激反应，增加EPS的分泌以形成保护层，减少污染物对细胞的直接伤害。此外，TCC可能会导致细胞膜损伤，微生物通过增加EPS的产生来修复受损的细胞膜，维持细胞结构的完整性。

EPS的主要组分为PN和PS，TCC同样影响了PN和PS的含量。从图5（b）、（c）可以看出，当TCC浓度为1mg/L时未对PN和PS含量产生显著影响，但达到5mg/L以上时，TCC刺激了PN和PS分泌，且呈现出TCC暴露浓度越高PN和PS增加越显著的趋势。当TCC浓度达到10mg/L时，PN和PS含量分别提高至58.6~61.2mg/g和46.5~48.2mg/g。TCC影响了污泥中信号分子的产生和传递，这些信号分子可以调节微生物的代谢活动，包括EPS的合成与分泌。PN/PS值是EPS性能的关键参数，从图5（d）可以看出，稳定时期对照组和低TCC组别的PN/PS值均在1.6以上，而当TCC浓度达到5mg/L以上时，PN/PS值显著下降至1.2左右，且在稳定期内PN/PS值变化不明显。TCC会影响微生物产生的信号分子，如酰基高丝氨酸内酯（AHLs），这些信号分子通过群体感应（QS）系统调节EPS的合成，进而影响PN和PS的分泌比例。

2.4 TCC对氧化应激及细胞膜破坏的影响

图6为TCC对反硝化污泥ROS和LDH相对释放量的影响。可以发现，TCC能引起ROS释放量的增加，且相对释放量与暴露时间相关。20d时，当TCC浓度为5和10mg/L时，ROS相对释放量分别提高至105%和115%，LDH相对释放量分别提高至116.5%和118.9%，说明高浓度TCC会导致细胞损伤和死亡。当暴露时间延长至80d时，高浓度TCC存在下ROS和LDH的相对释放量进一步提高，如当TCC浓度为10mg/L时，ROS和LDH的相对释放量分别提高至124%和126%。外源性污染物尤其是有毒性污染物能够诱导污泥中的微生物产生ROS，如超氧阴离子、羟基自由基等，这些ROS在微生物的应激反应和细胞损伤过程中具有重要作用。LDH是一种存在于细胞内的酶，当细胞膜受损时，LDH可以从细胞内泄漏到外界环境，且细胞膜破损越严重，LDH释放量越大。TCC在反硝化系统内暴露时间越长，对微生物细胞结构的破坏越严重，进而导致微生物反硝化代谢功能下降。

3、结论

①TCC对活性污泥反硝化脱氮性能具有剂量依赖性，当TCC浓度在1mg/L及以下时，TCC暴露对污水生物脱氮及有机质去除无显著影响。当浓度达到5mg/L以上时可降低反硝化污泥对COD和TN的去除效果，而当浓度达到10mg/L时则明显抑制对NH4+-N的去除效果。TCC浓度越高，对降碳脱氮效果的抑制越显著。

②TCC能影响反硝化污泥特征，TCC达到5mg/L以上时会降低污泥浓度及有机质占比。TCC可降低污泥沉降及脱水性能，促进EPS的分泌，但会降低PN/PS值。

③TCC暴露刺激了反硝化系统内ROS和LDH的释放，影响了微生物代谢活性，且其浓度越高，反硝化系统内ROS和LDH的释放量越大。