重金属对生物脱氮性能影响及活性污泥生物学效应的meta 分析

周 宇，黄 健，朱小杰，范少松，王展鹏

（1.安徽建筑大学环境与能源工程学院，安徽合肥 230601；2.环境污染控制与废弃物资源化利用安徽省重点实验室，安徽合肥 230601）

随着城市化和工业化的快速发展，电镀、冶金、化工等行业对重金属的应用需求日益增加，工业废水中的重金属离子含量也随之大量增加，给水环境治理和人类健康带来了挑战。由于重金属在水中难以被微生物降解，且具有持久性和生物富集性的特点，危害动植物及人类的生存，因此，重金属一直是生态环境毒理学的研究重点〔1〕。

生物脱氮是污水生物处理的关键环节，含重金属废水进入城市污水处理厂后，会对活性污泥系统造成冲击，这不仅使污水处理工艺的控制更加复杂，而且大量重金属进入生物脱氮系统中将极大程度影响脱氮效果〔2〕。目前，很多研究都关注了重金属对生物脱氮的负面影响〔3-4〕。重金属可导致活性污泥系统中微生物的多样性和丰富度产生变化，进而降低生物系统对于水中污染物的去除效率，影响出水水质〔5-6〕。不同种类和浓度的重金属对活性污泥微生物的影响具有一定差异〔7-8〕。虽然目前有众多关于重金属对于生物脱氮系统影响的研究，但几乎都是在某个特定的环境和反应器工况下进行分析，受环境因素、运行工况和污泥性质等因素的影响，其结果有较大差异，也给生物脱氮系统的稳定安全运行带来了不确定性，因此使用统计学方法科学评估现有研究的一致性非常有必要。

本研究对已发表文献中的数据进行收集，通过meta 分析，统计文献中主要重金属镉（Cd2+）、铜（Cu2+）、铬（Cr6+）、镍（Ni2+）、铅（Pb2+）、锌（Zn2+）对生物脱氮系统的影响，分析得出现有研究的主要趋势，以评价不同重金属对于生物脱氮系统的毒性和主要影响因素，为生物脱氮系统的稳定运行及后续研究提供参考。

1 材料与方法

1.1 数据收集

选取目前研究较多的6 种重金属离子（Cd2+、Cu2+、Cr6+、Ni2+、Pb2+、Zn2+）作为研究对象，评价其对于生物脱氮性能的影响。再选取其中研究较多的3 种重金属离子（Cd2+、Cu2+、Cr6+）为统计对象，评价其对生物脱氮系统的生物学效应。通过CNKI 中国知网和Web of Science 数据库，选取2000—2022 年间发表的文献，收集氨氮去除率、重金属离子初始浓度、污泥浓度、微生物丰富度（Chao1 指数）、微生物多样性（Shannon 指数）数据。使用的主题词为“生物脱氮、SBR、脱氮除磷、活性污泥、厌氧氨氧化、硝化、反硝化”和“重金属、重金属离子、锌、铜、铬、镉、铅、镍”。文献筛选的标准：1）实验必须是实验室规模的中试或小试反应器实验；2）文献至少研究一种目标重金属离子进入活性污泥系统对其造成的影响；3）实验必须包含严格的实验组和对照组，并在相同条件下测定实验组和对照组的目标变量；4）实验必须为反应器长期运行实验，排除单一菌种培养实验；5）关于微生物群落的文献须包含微生物的多样性和丰富度指数。根据PRISMA 流程和检查表，基于上述标准，最终获得有效文献47 篇，其中CNKI 数据库文献29 篇，Web of Science 数据库文献18 篇，有效数据250 组。其中，有关Cd2+、Cr6+、Cu2+、Ni2+、Pb2+、Zn2+的文献数量分别为11、10、22、5、4、8 篇，由于部分文献包含对多种重金属的研究，总和与获得的有效文献数量不同。

1.2 数据分析

1.2.1 重金属的影响效应

重金属的影响被定义为与对照组相比的目标变量响应〔9〕，响应比（RR）被定义为实验组中目标变量平均数（）与对照组中目标变量平均数（Xˉc）的比值，以评估生物脱氮性能和活性污泥微生物特性对于重金属的响应。实验组与对照组之间的效应值（lnRR）依据式（1）计算〔10〕。

在重金属对生物脱氮性能影响的研究中，实验组为投加重金属离子后的氨氮去除率，对照组为未投加重金属离子的氨氮去除率。在重金属对活性污泥生物学效应的研究中，实验组为投加重金属离子后的微生物多样性和丰富度指数，对照组为未投加重金属离子的微生物多样性和丰富度指数。lnRR值为正或负，表示目标变量效应随重金属浓度升高而增加或减少。根据研究结果的标准偏差（SD）计算lnRR 相应的方差（VlnRR），如式（2）所示。

式（2）中，Se和Sc分别表示实验组和对照组目标变量的标准差，ne和nc分别表示实验组和对照组目标变量的数据数量。

重金属对生物脱氮系统的总体影响通过加权随机效应模型确定〔10〕，使用式（3）计算加权响应比（lnRR++）。

式（3）中，m是分组总数（例如SBR 和厌氧氨氧化两组，即m=2），i是分组编号，k是第i组的总样本数量，j是样本编号，ω是lnRR 的权重，即方差的倒数（1/VlnRR）。如果95%的置信区间（CI）不包括0，则认为lnRR++与0 有显著性差异。

1.2.2 生物脱氮系统对重金属的敏感性

为了比较生物脱氮系统对重金属的响应，采用式（4）计算代表生物脱氮系统对于重金属响应程度的敏感性指标（Sensitivity），式中c（HMs）是实验组的重金属质量浓度。

1.3 数据处理

使用GetData Digitizer 2.24 从已发表论文的图像中获取原始数据，通过meta 分析方法获得生物脱氮系统对重金属的加权效应值，采用Review Manager 5.4 进行meta 分析，使用SPSS 进行显著性和回归分析。

2 结果与分析

2.1 生物脱氮性能对重金属的响应

图1所示为重金属对生物脱氮性能的效应值和生物脱氮性能对重金属敏感性的meta 分析结果，图中数字表示该种重金属离子的研究样本数量。

图1 生物脱氮性能对重金属的响应Fig.1 Response of biological denitrification performance to heavy metals

重金属对生物脱氮的效应（lnRR）主要受重金属浓度和种类的影响，如图1（a）所示，综合6 种重金属离子对生物脱氮系统中氨氮去除率的数据，发现不同的重金属对生物脱氮性能的影响具有显著差异。6 种重金属离子对生物脱氮性能均有一定程度的抑制作用，其中Cr6+对脱氮性能的抑制效应最大，Cu2+对生物脱氮性能也有显著的抑制作用，Cd2+、Zn2+对生物脱氮性能抑制程度较低，Zn2+作用下SBR 生物脱氮系统不会遭到严重破坏。

脱氮性能对于重金属的敏感性是指重金属对脱氮性能影响的效应值与对应重金属质量浓度的比值。如图1（b）所示，生物脱氮性能对Cr6+的敏感性最高，而对Cd2+的敏感性最低。对于不同的工艺，厌氧氨氧化脱氮性能对于重金属离子（Cr6+、Pd2+除外）的敏感性略高于SBR 工艺，其中两种工艺对Cu2+的敏感性差异最大（差值为0.082）。总体来看，SBR 工艺脱氮性能对于6 种重金属敏感性大小依次为Cr6+>Cu2+>Pb2+>Cd2+>Zn2+>Ni2+，厌氧氨氧化工艺性能对于6 种重金属敏感性大小依次为Cr6+>Cu2+>Ni2+>Zn2+>Cd2+>Pb2+。

表1给出了不同浓度的重金属离子对氨氮去除率均值的影响。

表1 不同质量浓度重金属对氨氮去除率的影响Table 1 Effects of different mass concentrations of heavy metals on removal rate of NH4+-N

从表1 可以看出，不同浓度Cd2+对氨氮去除率的影响差异最大，不同浓度Cu2+对氨氮去除率的影响差异最小。当重金属质量浓度小于4 mg/L 时，Cr6+对氨氮去除率的影响最大，Cd2+对氨氮去除率的影响最小；当重金属质量浓度为5~10 mg/L 时，Cr6+的影响最大，Ni2+的影响最小；当重金属质量浓度大于10 mg/L 时，Cr6+的影响最大，Zn2+的影响最小。

2.2 活性污泥微生物群落对重金属的响应

不同重金属对微生物群落多样性和丰富度的影响有显著差异，为了探究不同重金属对微生物群落的影响，基于文献调研数据，选择研究较多的3 种重金属Cd2+、Cu2+、Cr6+为考察对象，获得不同种类重金属对SBR 工艺中微生物丰富度和多样性的影响，结果见图2，图中数字表示该种重金属离子的研究样本数量。

图2 活性污泥微生物群落对重金属的响应Fig.2 Response of microbial community in activated sludge to heavy metals

图2（a）所示为重金属对微生物群落的效应值，由图2（a）可知，Cu2+对微生物群落丰富度的影响效应最大（-37.09%，p<0.05），其次为Cd2+（-12.86%，p<0.05），Cr6+对微生物群落的影响效应最小（-2.24%，p<0.05）。在对重金属的敏感性方面，如图2（b）所示，丰富度对于不同重金属的敏感性差别较小，而在物种多样性方面，Cu2+对多样性影响最大（-2.94%，p<0.05），Cr6+对多样性具有正向影响（2.81%，p<0.05）。物种多样性对于3 种重金属的敏感性较低，其中对Cr6+的敏感性大于0，表明低质量浓度Cr6+对物种多样性可能有一定的正向作用。

2.3 生物脱氮性能对重金属敏感性的影响因素

由于实验条件和反应器工况会对实验结果造成影响，不同条件下系统的生物脱氮性能可能会对重金属产生不同响应。对不同重金属初始质量浓度和污泥质量浓度（MLSS）条件下生物脱氮性能对于Cd2+、Cr6+、Cu2+的敏感性进行对比，结果见图3。

图3（a）、图3（c）、图3（e）所示为相同的污泥浓度条件下不同的重金属离子初始浓度对生物脱氮性能敏感性的影响。总体来看，当重金属离子初始质量浓度≤5 mg/L 时，脱氮性能对于重金属的敏感性受其影响较大，且脱氮性能与部分重金属质量浓度呈负相关，如MLSS 为10 600 mg/L 时，当Cd2+初始质量浓度在0~5 mg/L 时其与脱氮性能敏感性呈显著负相关（R=0.92）；MLSS 为3 000 mg/L 时，当Cu2+初始质量浓度在0~5 mg/L 时其与脱氮性能敏感性呈显著负相关（R=0.96）。这表明，当重金属离子在低浓度范围内时，浓度越高，生物脱氮性能对重金属的敏感性越强。但当重金属离子在高浓度范围时，生物脱氮性能对重金属的敏感性受其影响较小，且总体来看与其相关性不明显。

图3（b）、图3（d）、图3（f）所示为在相同的重金属离子初始浓度条件下不同的污泥浓度对于脱氮性能敏感性的影响。如图所示，当重金属离子浓度较低时，随着MLSS 的增加，脱氮性能的敏感性显著降低，当Cd2+质量浓度为1、5 mg/L，Cr6+质量浓度为1、2 mg/L，Cu2+质量浓度为5 mg/L时，MLSS与脱氮性能敏感性呈显著正相关。而当重金属离子的浓度较高时，MLSS与脱氮性能的敏感性在整体上没有显著的相关性。

3 讨论

3.1 重金属对生物脱氮系统的影响

重金属对于生物脱氮系统会造成一定冲击。在meta 分析中，6 种重金属对于生物脱氮性能的效应值均小于0，表明重金属对于生物脱氮性能都产生了一定的抑制作用。这是由于生物脱氮酶是脱氮功能菌完成正常生理代谢的关键〔11〕，而重金属会与生物脱氮酶的活性中心反应〔12〕，并与蛋白质中的氨基和羧基结合形成金属螯合物，且对含-SH 的酶活性中心具有较强的反应性〔13〕，从而使酶失去活性，导致生物脱氮系统无法正常运行。

不同种类的重金属对生物脱氮的影响具有一定差异。在meta 分析中，生物脱氮性能对于6 种重金属的敏感性差异较大，其中对于Cr6+的敏感性最强，对于Cd2+、Zn2+的敏感性较弱。有关研究发现，重金属对生物脱氮性能的影响大小为Cu2+>Cr6+>Cd2+>Zn2+〔3，14〕，这与本研究meta 分析结果较为相似。相较于其他重金属，Cu2+和Cr6+对生物脱氮系统的毒性效应较大，可能是由于Cu2+过量时比较容易使细胞产生活性氧化物（ROS）〔15〕，这是细胞的一种防御机制，但是当ROS 过量则会使细胞内金属键与金属失衡，并与生物大分子如蛋白质结合，使蛋白质产生氧化损伤〔16〕，导致脱氮细菌的细胞功能受损；而Cr6+对于生物脱氮系统的毒性可能是由于Cr6+会与氧气竞争电子导致微生物的呼吸速率受到抑制，相对于氧气，Cr6+更容易与有机基质结合，使微生物无法利用有机基质进行正常生理代谢〔17〕，因此，相较于其他5 种重金属，Cr6+作用下细胞呼吸速率严重降低，而硝化是好氧过程，硝化细菌在Cr6+作用下会受到明显抑制，这就导致了生物脱氮性能受到严重影响。

微生物群落结构是判断污水处理效果的有效指标，重金属对不同种类微生物产生的毒性效应具有差异性，导致微生物群落结构发生改变，进而影响污水处理效率。在meta 分析结果中，Cu2+对微生物群落丰富度和多样性造成严重影响。有研究表明，Cu2+瞬时冲击会导致微生物细胞膜受损并产生氧化应激，同时，比好氧速率和脱氮速率受到严重影响，导致了Cu2+负荷冲击下微生物群落丰富度和多样性发生显著变化〔18〕。P. MADONI〔19〕发现重金属对微生物群落的影响大小依次为Cu2+>Pb2+>Zn2+>Cr6+，这与本研究meta 分析结果相似。Meta 分析还表明脱氮性能对于Cr6+的敏感性最强，但是微生物群落对于Cr6+的敏感性最弱，Cr6+的投加并没有显著改变微生物群落的丰富度和多样性。可能的原因是，Cr6+可以通过微生物吸附作用被去除〔20〕，研究发现，不动杆菌属、芽孢杆菌属、埃希氏杆菌属、苍白杆菌属、变形菌属和假单胞杆菌属等都能将Cr6+还原为Cr3+〔21〕，这些属的大部分菌种可能在Cr6+胁迫下成为优势菌，因此Cr6+对于微生物群落的丰富度和多样性影响程度较轻。P. SAMARAS 等〔22〕在研究Cr6+对于活性污泥原生动物群落的影响时发现，低浓度Cr6+作用下，活性污泥中的原生动物主要是无柄的固着生长微生物，而高浓度Cr6+作用下，主要是无柄的固着生长微生物和肉食性微生物共生，表明活性污泥在Cr6+作用下可能拥有较多优势菌属导致丰富度和多样性未受到显著影响。

在不同工艺方面，meta 分析表明厌氧氨氧化工艺对于重金属的敏感性略高于SBR 工艺。有研究表明，SBR 工艺相较于其他活性污泥工艺更耐冲击负荷，对重金属的耐受性更强〔23〕。厌氧氨氧化菌的生长速度慢，世代周期长，细胞产率较低，在外界的影响下，细菌的流失大于生长〔24-25〕，因此厌氧氨氧化工艺对重金属的敏感性较强，在Cu2+、Pb2+、Cd2+、Ni2+、Zn2+的胁迫下受到更加显著的影响。但是在meta 分析结果中，厌氧氨氧化工艺对于Cr6+的敏感性相较于SBR 工艺更弱，可能是由于厌氧氨氧化工艺中部分菌属对于Cr6+的适应能力更强。

3.2 重金属对生物脱氮系统毒性的影响因素

影响重金属毒性的因素除了重金属种类和浓度以外，还包含生物因素和环境因素，例如pH、MLSS、污泥龄（SRT）、停留时间（HRT）等〔23，26〕。在meta 分析中，当Cd2+、Cu2+初始质量浓度在0~5 mg/L 时，初始浓度越高，生物脱氮系统对于重金属的敏感性越强；当初始质量浓度>5 mg/L 时，初始浓度与敏感性并没有显著相关性。这是由于微生物会分泌由蛋白质、多糖和脂类等成分组成的胞外聚合物，胞外聚合物是微生物阻挡外界有毒物质的重要屏障，可有效提高微生物对于外界环境的适应性〔27-28〕，重金属会通过离子交换、络合、表面沉淀等作用破坏胞外聚合物〔29〕，当重金属离子初始质量浓度为0~5 mg/L 时，随着Cd2+、Cu2+初始浓度的升高，胞外聚合物的破坏程度越来越高，因此生物脱氮性能对于重金属的敏感性随着重金属初始浓度的升高而增强。而当重金属离子初始质量浓度>5 mg/L 时，胞外聚合物几乎被完全破坏，生物脱氮性能对重金属的敏感性不会随着初始浓度的升高而继续增加。

在MLSS 方面，meta 分析结果表明，当Cr6+、Cd2+、Cu2+3 种重金属初始质量浓度≤5 mg/L 时，随着MLSS的增加，重金属对于生物脱氮系统的毒性减弱。而当3 种重金属初始质量浓度>5 mg/L 时，污泥浓度的增加并不会减弱重金属的毒性。A. LAMB 等〔30〕研究发现，通过投加干污泥的方式增加悬浮污泥浓度可以使重金属对活性污泥的毒性降低。这可能是由于随着污泥浓度的增加，吸附位点增加，活性污泥对于重金属的吸附能力增强〔31〕，使生物脱氮系统对于重金属的耐受性提高。而重金属初始质量浓度>5 mg/L时，可能会对活性污泥微生物产生不利影响，此时MLSS 的增加并不能减弱重金属的毒性。

4 结论

根据文献统计，通过meta 分析研究了不同重金属离子对于SBR 和厌氧氨氧化工艺生物脱氮性能的影响及对于SBR 活性污泥微生物群落结构的影响，并且分析了重金属对于生物脱氮系统毒性的影响因素，得到如下结论：

1）6 种重金属离子对生物脱氮性能均有一定程度的抑制作用，其中SBR 工艺对重金属的敏感性大小为Cr6+>Cu2+>Pb2+>Cd2+>Zn2+>Ni2+，厌氧氨氧化工艺对重金属的敏感性大小为Cr6+>Cu2+>Ni2+>Zn2+>Cd2+>Pb2+。对于不同工艺，除Cr6+和Pd2+外，厌氧氨氧化工艺性能对于重金属离子的敏感性略高于SBR 工艺。

2）在微生物群落结构方面，重金属离子对于微生物群落的影响程度大小为Cu2+>Cd2+>Cr6+，重金属离子对丰富度的影响略大于其对多样性的影响。

3）研究发现影响重金属毒性的因素主要有重金属离子的初始浓度以及污泥浓度，整体来看，当重金属离子初始质量浓度在0~5 mg/L 时，生物脱氮系统对于重金属的敏感性随着重金属离子初始浓度的升高而增强，随污泥浓度增大而减弱；而重金属离子初始浓度较高时，生物脱氮系统对重金属的敏感性不会随着污泥浓度改变而发生显著改变。