酰基-高丝氨酸内酯介导的群体感应作用增强了电活性厌氧铵氧化系统中的细胞内和细胞外电子转移

《Journal of Water Process Engineering》：Acyl-homoserine lactone-mediated quorum sensing enhances intracellular and extracellular electron transfer in electroactive anaerobic ammonium-oxidizing systems

蚯蚓滤床技术作为可持续废水处理方案，其营养物去除机制与设计参数影响尚不明确。本研究通过元分析揭示 volumetric scale（体积负荷）、 hydraulic loading rate（水力负荷）、 earthworm density（蚯蚓密度）等关键参数对氮磷去除效率的协同作用，并指出磷去除和长期稳定性为未来重点。

　　

作者：Ankit Kumar、Rajneesh Singh、Brijesh Kumar Yadav

印度北方邦鲁尔基印度理工学院水文学系

摘要

随着全球对水资源富营养化和营养污染问题的日益关注，寻找可持续且低成本的废水处理技术变得愈发重要。在这种情况下，蚯蚓过滤作为一种可持续的废水处理方法受到了越来越多的关注，尤其是在热带和中等纬度国家。然而，蚯蚓过滤器的效率取决于多种设计和操作参数，如体积规模、水力负荷率、蚯蚓密度、污染物负荷率、活性蚯蚓层深度以及蚯蚓种类。但目前，这些参数对营养物质去除机制的影响尚未得到充分理解。以往的研究主要集中在蚯蚓过滤对有机物的去除效果上，而对营养物质去除的关注较少。从系统综述向元分析综述的转变也进一步凸显了开展一项专注于蚯蚓过滤氮和磷去除效果的元分析研究的必要性。本研究首次尝试全面阐述营养物质去除的机制，并探讨了设计参数和操作参数对蚯蚓过滤器处理效率的影响。同时，还回顾了过去二十年蚯蚓过滤技术的发展与应用情况，以及其存在的局限性和未来的发展潜力。研究结果有助于提高该技术的处理效率，并推动其在实际应用中的普及。

引言

水作为一种不可或缺的自然资源，在维持所有生命形式、推动经济发展和支持环境可持续性方面发挥着关键作用[1]。然而，淡水资源的过度开发威胁着人类福祉和粮食安全[2]。无论采用何种估算方法[5]，对淡水资源的消耗速度（即“淡水行星边界”[3]）都在迅速接近这一临界点[4]。人口几何级数的增长给含水层带来了压力，改变了水资源消费模式，而气候变化的影响预计将使维持可持续水资源消费水平变得更加困难[155]。为解决水资源短缺和水污染问题，对经过适当处理的废水进行再利用被认为是一个可行的解决方案[6]。通常，处理后的废水被用于灌溉和非饮用目的，如地下水补给、车辆清洗、冲厕、灭火、建筑等[6]。此外，这也有助于解决由受污染水引起的卫生、健康和环境问题。这些污染物进入水体后会导致富营养化和溶解氧（DO）降低等问题[7]，从而对水生生态系统造成负面影响[8]。通过适当的废水处理，这些废水还可以作为氮和磷等可生物利用形式的宝贵营养物质来源[116][154]，因此从废水中去除这些营养物质变得至关重要。

据统计，供应给社区的淡水中约有75-80%最终成为废水[9][10]。根据中央污染控制委员会2021年的报告[11]，印度水体污染的主要来源是城市和城镇产生的生活污水。根据2001年的人口普查数据，一类城市和二类城镇产生的污水总量估计为29,129百万升/天（MLD）[11]。然而，污水处理厂（STPs）的处理能力仅相当于总污水量的约21%[11]。此外，这些污水处理厂的主要缺点是在处理过程中会产生大量污泥[12]。其他相关问题还包括运营和维护成本高昂，以及污泥处理带来的挑战[13][14][15][16]。这些缺点促使研究人员探索替代的废水处理方法。此外，农村地区和小规模人类聚居区往往缺乏集中式污水处理设施，因此倾向于采用分散式或其他废水处理方式。然而，从集中式污水处理转向其他处理技术需要更多的能源和资源，且往往会产生不必要的副产品，从而对生态系统造成额外负担。因此，在发展中国家，寻找成本效益高、环境安全且易于管理的分散式废水处理技术至关重要[14]。文献综述表明，已经有多种物理、化学和生物方法用于废水处理[17]。其中，物理和化学方法要么成本过高，要么在去除目标污染物方面效果不佳；而生物方法被证明是有效的废水处理方式[18]。尽管生物方法的处理效率较高，但它们需要大量的维护空间，限制了其应用范围[14]。文献还指出，蚯蚓过滤（图1）是一种新兴的废水处理技术，它利用了蚯蚓与微生物在传统地质过滤介质中的共生关系[19][20][21][22]。这种共生关系增强了过滤介质中的微生物活性和多样性[19][22]。此外，蚯蚓的日常活动（如挖掘、隧道形成、吞食介质等）使处理系统主要为好氧环境，从而提高了微生物的好氧活性[23]。尽管蚯蚓过滤器相比传统废水处理技术具有多种优势，但由于缺乏反硝化和生物脱磷能力，营养物质去除仍是一个限制因素[14]。因此，目前正致力于解决这一重大限制[14][24][25]。然而，要解决这一问题，需要仔细研究蚯蚓过滤中营养物质去除的机制。同时，了解当前蚯蚓过滤研究的现状也有助于明确未来的研究方向。迄今为止，关于蚯蚓过滤技术的文献综述较少[14][26][27][28][29][30]，且大多数综述仅将其与其他污染物一起讨论。有趣的是，大多数综述仅限于结果收集和文献分析。为了更好地理解基于蚯蚓过滤的处理系统的复杂性，分析水力负荷率、污染物负荷率、蚯蚓密度、蚯蚓种类、处理规模和介质深度等各种设计和操作参数的影响至关重要[28][29][30][31]。因此，需要对收集到的元数据进行深入分析，以评估这些参数对实际应用的影响。

本研究旨在深入探讨蚯蚓过滤中营养物质去除的机制，并评估自该技术问世以来的研究现状，以确定未来提高营养物质去除效果的研究方向。此外，还进行了元分析，以评估设计和操作参数对处理系统性能的影响，这是首次对基于蚯蚓过滤的处理系统进行元数据分析。本研究涵盖了各种设计和操作参数对蚯蚓过滤系统处理性能的全面元分析。同时，也指出了现有研究中的空白，如磷的去除效果以及处理系统的长期性能和可持续性方面的限制。研究结果有助于设计基于蚯蚓过滤的处理系统，促进其在实际应用中的广泛采用。

方法论

2025年6月，我们在Scopus、Web of Science和Google Scholar等学术数据库中通过相关关键词检索了所有关于使用蚯蚓过滤技术处理废水的研究论文，共找到59篇与本研究目的相关的文章。这些文章包含了105个数据点，其不同的去除效率和操作参数在表S1中呈现。

蚯蚓过滤的文献计量分析和当前趋势（2013–2025年）

蚯蚓过滤作为一种废水处理技术，具有生态安全性，不会产生任何有毒副产品[31]。它所需的资本投资较低，在去除废水中的有机物方面非常有效[31][36][37][38][39]。此外，它在去除铵（NH₄⁺）、硝酸盐（NO₃^?）、亚硝酸盐（NO₂^?）、一氧化二氮（N₂O）和溶解氮气（N₂）等营养物质方面也非常有效[35][37][40][41][42][43][44][45][46][47][48][49][50][51][52][53][150][8][53][54][55]

蚯蚓过滤中的营养物质去除机制

废水中的氮通常以两种形式存在：1）有机氮；2）无机氮[25][78]。有机氮以蛋白质、酸、尿素和其他复杂化合物的形式存在，而无机氮的形式包括铵（NH₄⁺）、亚硝酸盐（NO₂^?）、硝酸盐（NO₃^?）等[24][25][79]。这些成分可以以悬浮态或溶解态存在于废水中

氮的去除

研究表明，蚯蚓过滤通过氨化作用、随后进行的需氧硝化作用、厌氧反硝化作用以及微生物同化作用和基质吸附等方式，能够高效去除废水中的氮[55][57][79][107][108][109]。文献综述指出，从生活污水、乳制品废水和猪粪中去除铵的效率范围为70%至95%[20][50]

体积规模与营养物质去除

图3显示了不同负荷率下体积规模对铵（NH₄⁺）、总氮（TN）、有机磷（OP）和总磷（TP）去除效率的影响。所有营养物质的电导率（EC）和体积负荷率在表S2中呈现。根据图3（a），实验室（R² = 0.92）、中试（R² = 1.00）和现场规模（R² = 0.92）蚯蚓过滤器之间的铵负荷率（ALR）与铵去除能力（AEC）之间存在线性关系

蚯蚓过滤的操作挑战

尽管蚯蚓过滤是一种可持续、环保且经济高效的废水处理技术，但某些限制因素限制了其广泛应用[14][69]。例如，由于过滤介质中的蚯蚓无法在水中长时间存活，该系统无法在积水条件下运行[31][78]。

此外，蚯蚓过滤器对某些污染物（如硝酸盐）的去除能力有限

总结与结论

通过广泛的文献调研发现，蚯蚓过滤器具有作为现场废水处理技术的潜力。然而，了解氮和磷的去除机制至关重要，因为其在去除这些营养物质方面的能力较低，尤其是在去除硝酸盐和磷酸盐方面。废水中的氮去除过程涉及微生物与蚯蚓之间的相互作用，其中吸附作用是主要的去除机制

作者贡献声明

Ankit Kumar：撰写——审稿与编辑、初稿撰写、可视化、验证、方法论研究、数据整理、概念构建。 Rajneesh Singh：撰写——审稿与编辑、可视化、验证、监督、资源协调、项目管理、资金获取、概念构建、方法论研究。 Brijesh Kumar Yadav：撰写——审稿与编辑、验证、监督、资源协调、项目管理、资金获取

利益冲突声明

作者声明以下可能构成潜在利益冲突的财务利益或个人关系：Rajneesh Singh表示获得了印度政府的财政支持；Ankit Kumar表示获得了科学与工业研究委员会的财政支持。如果还有其他作者，他们声明没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文的研究结果。

致谢

作者衷心感谢Anusandhan国家研究基金会（ANRF）对这项研究的财政支持。本研究由ANRF（授权号：RJF/2022/000110）资助。作者还感谢科学与工业研究委员会（CSIR）和印度政府科技部在博士研究期间提供的奖学金资助。