《Journal of Environmental Management》：Strengthening operational stability of decentralized rural sewage bio-trickling filters under fluctuating influent loads by activating microbial oxidative stress in oligotrophic regions
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该研究通过在生物滤池的贫营养层增设通风夹层，利用微生物氧化应激响应提升脱氮效率。实验表明，通风夹层使总氮去除率提高11.3%，反硝化细菌丰度增加3.4%，胞外聚合物浓度显著上升，增强了生物膜结构稳定性及微生物间代谢协同作用。氧化应激调控机制通过优先保障碳代谢、物质传递和群体感应等关键生存功能，有效缓解了负荷波动对处理系统稳定性的负面影响，为分布式农村污水生物滤池优化提供了理论依据。
作者：池玉蕾、李电宝、陈志婷、施轩、金鹏康、任旺
单位：西安科技大学建筑与土木工程学院，中国陕西省西安市，710054
摘要
生物滴滤器常用于处理负荷波动的分散式农村污水。然而，由于存在有机物质含量低于50 mg/L的贫营养层，处理效率的提升受到限制。为了克服这一限制，通过利用微生物对氧化应激的适应性反应，增强了生物量密度和代谢活性。通过加入通风中间层，总氮去除效率提高了11.3%。在负荷波动的情况下，反硝化作用显著增强，反硝化细菌（DNB）的数量增加了3.4%。同时，氧化应激下细胞外聚合物物质（EPS）的浓度增加，从而增强了生物膜的完整性并促进了微生物群落内的物质传递。异养细菌和藻类利用EPS作为代谢物交换的介质，为贫营养层中的反硝化细菌提供了额外的底物，从而促进了其生长和反硝化效率。微生物之间的相互作用主要表现为代谢活性的增强，包括碳代谢、物质传递和群体感应。微生物对氧化应激的反应共同缓解了负荷波动对处理效果的不利影响。本研究为提高分散式农村污水处理系统的处理效率和稳定性提供了理论基础。
引言
随着中国农村振兴的推进，农村污水管道网络和处理设施的覆盖范围和规模不断改善。然而，由于许多分散式村庄远离城市和城镇，在这些地区建设完整的污水管道网络仍然较为困难，这增加了集中处理部分分散式农村污水的难度（Xie等，2024a；Zhong等，2024）。面对这些挑战，采用了源头分离和就地处理的方法（Li等，2023；Sha等，2024）。这些就地分散式农村污水处理系统的规模通常小于20 m3/天（Peng等，2025；Zhang等，2024b）。这些系统通常采用生物和生态处理方法，如A2O集成设备和人工湿地（Jiao等，2024；Su等，2025）。小规模污水处理不需要大规模的管道网络，并且能够适应特定场地条件，因此符合就地农村污水处理的要求。
负荷波动是农村污水处理的典型特征（Xie等，2024a）。由于夜间家庭用水量急剧减少，污水处理设施在这段时间内通常会停滞（Wang等，2023a）。间歇性的进水中断会导致日负荷冲击，可能导致农村污水处理不稳定（Xie等，2024b）。小规模污水处理过程容易受到负荷波动的影响。因此，A2O集成设备通常会添加填料以支持微生物附着生长并提高处理效果的稳定性（Hooshmand和Zamir，2025）。然而，这会增加系统的运行成本和复杂性。人工湿地相对容易操作，但这些过程需要较大的占地面积，并且在负荷波动的情况下难以保持稳定性（Li等，2024）。生物膜处理过程对冲击负荷具有更好的适应性，例如生物滴滤器（BTFs），这是一种常见的生物膜工艺，具有稳定的性能，已被应用于农村污水处理（Ma等，2024）。然而，其处理间歇性供料中断的性能和调节策略尚未得到充分研究。
BTFs通常包含多个层次，不同层次之间的物质吸附和转化存在显著差异（Arora等，2025）。因此，由于微生物群落结构和活性的差异，不同层次应对负荷波动的能力也有所不同（Shi等，2024）。靠近进水口的层次中氮和有机物质的浓度较高，有利于微生物优先吸附这些物质。在进水中断期间，靠近进水口的微生物可以利用吸收的物质和细胞内储备来应对营养匮乏。在下游层次，底物浓度接近贫营养浓度（化学需氧量（COD）< 50 mg/L），表明底物供应的局限性显著限制了微生物的生长和代谢活性（Shukla和Ahmad，2022；Sun等，2025）。因此，在流量中断期间，微生物缺乏可用的细胞内储备和细胞外聚合物物质（EPS），只能依靠复杂的底物获取和应激响应调节机制来维持生存（Ji等，2025；Pereira等，2023）。尽管如此，贫营养层在高效农村污水处理中起着不可或缺的作用。因此，在冲击负荷条件下，加强贫营养层中微生物的生长是BTFs稳定运行的关键因素。
在贫营养条件下，微生物可以通过调节内源性代谢重新分配能量和资源利用，从而提高其对环境压力的适应性（Zhou等，2023）。内源性代谢调节的主要功能是优先保障基本生存功能，应激响应调节起着关键作用（Wang等，2023b）。面对贫营养条件时，微生物通常会增强细胞外多糖的生物合成，以维持细胞完整性和抵御外部压力（Xu等，2020）。微生物还可以利用替代底物来维持能量代谢和细胞活力（Ji等，2019）。例如，在低强度条件下，某些自养微生物（如厌氧氨氧化菌）表现出混合代谢，利用有机物质作为替代碳源和能源（Naufal和Wu，2024）。同样，许多微生物通过回收内源性储备物质来维持基本生存功能（Ma等，2017）。除了调节底物利用外，微生物群落还可以通过基于群体感应的代谢物交叉喂养来保持稳定性（Chen等，2025）。因此，通常采用应激响应代谢调节策略来在压力条件下维持生物活性。
在实际应用中，通过调节环境条件来实现应激响应代谢调节，其中曝气控制是一种常用的方法（Di等，2025；Du等，2024）。当氧气供应超过微生物的耐受阈值或底物供应不足时，刺激微生物的氧化应激代谢调节，表现为氧化和代谢活性的增强，有助于在不利环境条件下维持微生物生长。先前的研究表明，氧气诱导的微生物氧化应激可以刺激氨基酸代谢和群体感应，从而在负荷波动条件下促进EPS的分泌并增强生物膜的结构稳定性（Ju等，2025）。氧化应激调节可以提高微生物中的电子和物质传递效率，使它们更好地适应贫营养区域的底物匮乏（Duan等，2024；Sun等，2022）。因此，在农村污水BTF系统中，调节微生物氧化应激有助于促进贫营养层中微生物的富集，从而提高处理效果和运行稳定性。
本研究通过利用微生物的氧化应激反应，在负荷波动条件下调节了分散式BTFs的处理效率。通过在贫营养层加入通风中间层，改善了受底物限制严重的微生物活性。评估了具有微生物氧化应激调节的BTFs的农村污水处理效果，特别是在负荷波动条件下。通过对EPS组成和微生物群落结构的综合分析，阐明了功能微生物及其相关生态系统的特征。利用基因功能预测方法推断出控制底物转化和氧化应激反应的代谢调节机制。本研究为提高负荷波动条件下分散式农村污水处理过程的处理效率和稳定性提供了理论基础。
BTFs的配置和运行参数
图1展示了BTFs的示意图。实验设备是一个直径为0.4米的圆柱形装置，包含六层包装层和一层通风层。包装层填充了直径在3-5毫米范围内的陶瓷颗粒。通风层填充了空心球，以提高氧气传递效率。实验装置的总高度为1.2米，每层的平均高度为15.0厘米。进水污水流经...
农村污水处理效果
图2展示了不同通风层位置的BTF过程的处理效果。经过11天的运行后，BTF过程的处理效果趋于稳定，出水COD浓度保持在50.0 mg/L以下（图2(b)、(d)和(f)），表明通风层的位置对有机物去除效果没有显著影响。高效的有机物去除依赖于氧化...
结论
本研究提出了一种适用于稳定受负荷波动影响的农村污水BTF过程的通风模式。该调节机制的核心是在贫营养区域安装通风中间层以激活微生物的氧化应激。调节后，总氮去除效率提高到约83.7%，反硝化活性显著高于没有通风中间层的BTFs。
作者贡献声明
池玉蕾：撰写 – 审稿与编辑，撰写 – 原稿，数据管理，概念构思。李电宝：可视化，验证，形式分析。陈志婷：软件，资源管理。施轩：撰写 – 审稿与编辑，验证，形式分析。金鹏康：监督，项目管理，概念构思。任旺：方法论，研究调查，资金获取。
注释
作者声明没有竞争性财务利益。
利益冲突声明
作者声明没有已知的竞争性财务利益或个人关系可能影响本文的研究工作。
致谢
本研究得到了国家自然科学基金（资助编号：52400057、52370101和52209099）和陕西省自然科学基金（资助编号：S2025-JC-QN-3059）的支持。
