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《厌氧氨氧化及其新污染物影响》从全球水资源危机与污水处理低碳化需求切入，综述了厌氧氨氧化技术优势及微塑料、抗生素等新污染物对其影响的研究进展，解析不同条件对系统脱氮性能的调控规律。通过检测酶活性揭示厌氧氨氧化菌关键功能酶的活性响应及功能基因的表达调控。针对微塑料的差异化影响，阐明了聚氯乙烯、聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚丙烯与可生物降解的聚乳酸微塑料通过物理遮蔽与化学浸出干扰菌群代谢通路的机制。利用胞外聚合物组分重构揭示厌氧氨氧化颗粒污泥通过分泌胞外聚合物螯合污染物、调控群落α多样性等的抗逆机制，阐明微塑料与抗生素复合污染的协同毒性。全书通过多尺度研究方法，为厌氧氨氧化工艺应对新污染物挑战提供理论依据与工程实践参考。本书可供污水生物处理等相关领域的科研人员和工程技术人员参考。
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1绪论0011.1新污染物0011.2生物脱氮工艺0031.2.1传统生物脱氮工艺0031.2.2厌氧氨氧化生物脱氮工艺0041.2.3厌氧氨氧化工艺的优化方式0051.3厌氧氨氧化菌的特性0061.3.1厌氧氨氧化菌的分类0061.3.2厌氧氨氧化菌的形态特征0071.3.3厌氧氨氧化菌的反应原理及代谢途径0071.3.4厌氧氨氧化菌生态系统中的多菌共生0081.4新污染物及重金属对厌氧氨氧化的影响0091.4.1微塑料0091.4.2抗生素0101.4.3重金属0121.5新污染物影响的厌氧氨氧化活性恢复014参考文献0152厌氧氨氧化菌脱氮效果、种群结构研究0222.1引言0222.2实验材料与方法0232.2.1实验装置0232.2.2实验用水0232.2.3水样检测方法0242.2.4实验方法0242.2.5扫描电子显微镜方法0252.2.6实时荧光定量PCR分析方法0262.3反应器的脱氮效果0272.3.1反应器的脱氮效率0272.3.2反应器中水样不同氮质的比较0282.3.3水样的Rs和Rp值0292.4反应器中菌群SEM分析结果0302.5实时荧光定量PCR分析结果0302.5.1标准曲线与反应体系0302.5.2引物定量结果分析0312.5.3两种不同培养环境菌群微生物的qPCR定量结果分析0362.6本章小结038参考文献0393厌氧氨氧化菌酶学研究0403.1引言0403.2实验材料与方法0413.2.1联氨氧化酶粗酶液制备方法0413.2.2酶活及蛋白含量测定方法0433.2.3联氨氧化酶的初步纯化0433.2.4醌类化合物对联氨氧化酶的影响探究方法0443.2.5hzsA基因的扩增和克隆表达0453.2.6hzsA序列的生物信息学分析0463.3联氨氧化酶初步纯化及醌类化合物对其活性的影响0473.3.1粗酶液的制备与酶活性探究相关结果0473.3.2联氨氧化酶的初步纯化结果0493.3.3醌类化合物对联氨氧化酶活性的影响结果0503.4联氨合成酶A亚基功能基因的克隆、表达及序列分析0513.4.1目的基因的扩增克隆0513.4.2hzsA同源性比较及系统发育分析0523.4.3HZSA蛋白的理化性质和疏水性0533.4.4HZSA蛋白的跨膜结构域和信号肽预测及亚细胞定位0543.4.5HZSA蛋白的二级、三级结构分析0543.4.6质粒构建及表达0553.5本章小结056参考文献0564聚氯乙烯微塑料短期暴露对厌氧氨氧化过程的影响0594.1引言0594.2实验材料与方法0594.2.1主要仪器及设备0594.2.2实验用污泥及污水0604.2.3小型厌氧氨氧化序批式反应器0614.2.4联氨氧化酶活性的测定0624.2.5胞外聚合物的提取及测定0634.2.6代谢组学检测分析0644.3聚氯乙烯微塑料对厌氧氨氧化菌脱氮性能的影响0644.4聚氯乙烯微塑料对联氨脱氢酶酶活性的影响0654.5聚氯乙烯微塑料对胞外聚合物的影响0664.6聚氯乙烯微塑料暴露下厌氧氨氧化菌代谢机制的调节0674.6.1100目PVC下的代谢差异情况0674.6.21000目PVC下的代谢差异情况0704.7本章小结075参考文献0765聚对苯二甲酸乙二醇酯微塑料急性胁迫对厌氧氨氧化颗粒污泥性能的影响研究0795.1引言0795.2实验材料与方法0815.2.1厌氧氨氧化反应器和实验操作0815.2.2水质和污泥检测0825.2.3代谢组学检测和分析0835.3聚对苯二甲酸乙二醇酯微塑料对脱氮性能的影响0835.4聚对苯二甲酸乙二醇酯微塑料对联氨脱氢酶活性的影响0855.5聚对苯二甲酸乙二醇酯微塑料对胞外聚合物的影响0865.6聚对苯二甲酸乙二醇酯微塑料对厌氧氨氧化菌代谢机制的调节0875.7本章小结094参考文献0946聚丙烯和聚乳酸微塑料短期暴露下厌氧氨氧化颗粒污泥的特性及非靶向代谢组学分析0996.1引言0996.2实验材料与方法1016.2.1聚丙烯和聚乳酸微塑料的来源装置1016.2.2接种污泥和合成废水1016.2.3实验装置和操作1026.2.4分析方法1026.2.5基于液相色谱-串联质谱法的非靶向代谢组学分析1036.3聚丙烯和聚乳酸微塑料对脱氮性能的影响1046.4聚丙烯和聚乳酸微塑料对联氨脱氢酶活性的影响1056.5聚丙烯和聚乳酸微塑料对胞外聚合物的影响1066.6聚丙烯和聚乳酸微塑料对功能代谢的影响1076.7本章小结111参考文献1127厌氧氨氧化颗粒污泥对磺胺甲唑与聚对苯二甲酸乙二醇酯微塑料的胁迫响应机制研究1157.1引言1157.2实验材料与方法1167.2.1实验装置与方案1167.2.2分析检测指标及方法1187.3磺胺甲唑与聚对苯二甲酸乙二醇酯微塑料单独胁迫对脱氮性能的影响1227.3.1脱氮性能分析1227.3.2比厌氧氨氧化活性分析1247.4磺胺甲唑与聚对苯二甲酸乙二醇酯微塑料单独胁迫对污泥形态变化的影响1267.5磺胺甲唑与聚对苯二甲酸乙二醇酯微塑料单独胁迫对胞外聚合物含量及组成的影响1277.5.1胞外聚合物含量分析1277.5.2胞外聚合物傅里叶变换红外光谱分析1297.5.3胞外聚合物三维荧光光谱表征1327.6磺胺甲唑与聚对苯二甲酸乙二醇酯微塑料单独胁迫对微生物群落结构的影响1347.6.1生物群落α多样性分析1347.6.2生物群落β多样性分析1367.6.3物种组成及差异分析1377.7本章小结139参考文献1408厌氧氨氧化颗粒污泥对磺胺甲唑与聚对苯二甲酸乙二醇酯微塑料的联合胁迫响应机制1438.1引言1438.2实验装置与方案1448.3分析检测指标及方法1468.3.1常规水质检测指标1468.3.2比厌氧氨氧化活性测定1468.3.3扫描电子显微镜表征1478.3.4生物量测定1488.3.5胞外聚合物的提取与测定1488.3.6傅里叶变换红外光谱分析1498.3.7三维荧光光谱表征1498.3.8高通量测序1498.4磺胺甲唑与聚对苯二甲酸乙二醇酯微塑料复合胁迫对脱氮性能的影响1508.4.1脱氮性能分析1508.4.2比厌氧氨氧化活性分析1528.5磺胺甲唑与聚对苯二甲酸乙二醇酯微塑料复合胁迫对污泥形态变化的影响1528.6磺胺甲唑与聚对苯二甲酸乙二醇酯微塑料复合胁迫对胞外聚合物含量及组成的影响1548.6.1胞外聚合物含量分析1548.6.2胞外聚合物傅里叶变换红外光谱分析1558.6.3胞外聚合物三维荧光光谱表征1578.7磺胺甲唑与聚对苯二甲酸乙二醇酯微塑料复合胁迫对微生物群落结构的影响1588.7.1生物群落α多样性分析1588.7.2生物群落β多样性分析1598.7.3物种组成及差异分析1608.8本章小结162参考文献163
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全球水资源短缺与污染治理的双重压力正将污水处理技术推向可持续发展战略的核心地位。《2024年联合国世界水发展报告》指出，目前全球约50%的人口在一年之中至少有一部分时间面临严重的缺水问题。而传统污水处理工艺的碳足迹占全球总排放量的2%，其高能耗、高药耗的运行模式已难以匹配“双碳”目标下的技术需求。在此背景下，厌氧氨氧化（anaerobic ammonia oxidation，Anammox）技术因其低能耗优势脱颖而出，该工艺通过厌氧氨氧化菌（anaerobic ammonia oxidation bacteria，AnAOB）的独特代谢途径，在厌氧条件下将氨和亚硝酸盐直接转化为氮气。这一自养反应过程无须投加有机碳源，污泥产率降低90%，能量消耗仅为传统硝化-反硝化工艺的40%，被《自然·生物技术》评价为“污水脱氮工业的基因编辑革命”。从荷兰代尔夫特理工大学的首个实验室验证，到新加坡樟宜再生水厂的百万吨级工程应用，Anammox技术已逐渐突破菌种富集慢、启动周期长的瓶颈，其规模化推广标志着污水处理从能量净消耗型向资源回收型的范式跃迁。然而，技术的迭代始终与环境污染的复杂化进程交织博弈。随着工业化与城市化进程加速，微塑料与抗生素等新污染物逐渐侵入水环境系统。环境毒理学研究表明，全球淡水系统中微塑料丰度已达4.8×103个/m3，其与表面因疏水性吸附的多环芳烃、全氟化合物等污染物形成“复合毒性载体”医疗与畜牧业排放导致水体中抗生素浓度突破ng/L～μg/L级，诱导的抗性基因通过接合质粒、转座子等可移动遗传元件的水平转移，加速了耐药菌的生态入侵。然而，传统活性污泥工艺对微塑料的截留率不足40%，对抗生素的去除效率普遍低于50%。当Anammox这一高效脱氮体系遭遇新污染物的持续冲击，其功能菌群的生态脆弱性成为制约技术推广的关键瓶颈。AnAOB的生物学特性决定了该系统对外界干扰的高度敏感性。作为一类化能自养型微生物，其倍增时间长达11～14天，且严格依赖厌氧环境维持代谢活性。系统溶解氧浓度超过0.1mg/L时，AnAOB的氨氧化速率下降32%；温度波动幅度超过±2℃将引发菌群丰度减少20%以上。这种苛刻的生存需求虽保障了脱氮过程的高选择性，却使系统在复杂污染物共存场景中表现出显著的不稳定性。多污染物协同作用可能引发毒性的非线性增强。尽管学界已初步认识到这些交互影响的危害，但关于污染物暴露的累积效应、污染物-菌群互作的分子机制、工程级抗干扰调控策略等关键问题仍悬而未决。本书立足于环境微生物学、生态毒理学，系统解构新污染物与Anammox系统的多维互作机制。全书共分8章，第1章是绪论，介绍了以Anammox为主的生物脱氮工艺及新污染物对其影响的研究现状；第2章分析了不同氮质条件下Anammox系统的脱氮性能；第3章研究了AnAOB功能酶活性及功能基因的表达；第4章介绍了聚氯乙烯微塑料对Anammox过程的影响；第5章对Anammox颗粒污泥在聚对苯二甲酸乙二醇酯微塑料急性暴露下的代谢机制进行了介绍；第6章分析了Anammox过程对不可生物降解的聚丙烯微塑料和可生物降解的聚乳酸微塑料响应机制的区别；第7章从Anammox颗粒污泥细菌胞外结构与生物群落结构分析了细菌抗污染机制；第8章研究了Anammox系统对微塑料与抗生素的复合污染响应变化。本书由阎松（大连交通大学）、袁媛（大连交通大学）、秦海娟（大连交通大学）等著。感谢曾经和正在从事Anammox及其新污染物影响相关研究的硕士研究生们。本书主要作者分工如下：阎松负责实验方案设计，秦海娟、吕宇华、李竺芯完成了主要实验内容；赫明俊编写第1章；袁媛编写第2章，共同编写第3章；刘帅豪编写第4章；赵誉量编写第5章，共同编写第3章；杨谟宁编写第6章；刘佩印编写第7章；秦海娟编写第8章。全书由袁媛统稿、阎松校核。希望本书的出版能够对污水生物处理领域的研究人员、工程技术人员及高校相关专业的师生有所帮助。在这场生态保卫战中，每一组数据、每一次实验、每一座污水处理厂，都是人类与自然和解的无声宣言。由于水平有限，书中疏漏之处在所难免，恳请读者不吝赐教、指正。作者2025年7月
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