挥发性有机化合物（VOCs）是光化学烟雾和二次有机气溶胶形成的关键前体，广泛来源于化学生产、燃料蒸发和工业排放过程[1]。作为典型的挥发性有机化合物，甲苯由于其高毒性和致突变性而需要有效控制[2]。在各种VOCs的末端处理技术中，BTF因其成本效益高、二次污染少和操作简单等优点，被广泛用于处理中低浓度和高体积的废气[3]。
营养液在BTF的长期运行中起着关键作用，它不仅为维持生物反应器内的适当温度和湿度提供必要的水分，还是氮、磷和微量元素等维持微生物代谢和生物膜发育所需元素的重要载体。因此，营养液的组成和投加策略直接影响微生物活性、生物膜结构以及整体VOC去除效率。
研究表明，营养液投加策略对维持系统稳定性和处理效率至关重要[4]。张等人[5]发现，采用小剂量、频繁添加（每2小时49毫升）的最佳营养液供应策略，可使BTF内的湿度保持在40%以上，并使温度比环境温度升高至少2℃，从而维持高去除效率。余等人[6]采用“30秒开启、20分钟关闭”的循环喷洒模式，结果表明该模式在运行过程中不会出现因生物膜过度生长导致的压力降问题，同时增强了系统对冲击负荷和饥饿条件的恢复能力。这些发现强调了营养管理必须在维持微生物活性的需求与因生物量过多导致的运行不稳定风险之间取得平衡。
此外，营养液的组成和浓度，特别是氮和磷的可用性，已被确定为影响微生物活性的关键因素[7]。Gribbins等人[8]强调了氮的可用性对生物过滤器性能的重要性。他们的结果表明，在微生物活性高的区域，生物可利用的氮（氨和硝酸盐）可能会耗尽，从而导致BTF的VOC去除效率显著下降。Avalos Ramirez等人[9]建立了微生物生物量生长速率（μ）与生物过滤器内营养液中氮浓度之间的关系，结果显示在氮浓度为0.1克氮每升（0.1 g N·L−1）时，微生物的生长速率达到最大；而氮浓度过高或过低都会导致μ降低。Sempere等人[10]指出，用于喷洒生物滴滤液的液体中磷的浓度非常低，仅为0.04–0.40毫克每升（0.04–0.40 mg P·L−1），这可能使磷成为微生物生长的限制因素，从而限制BTF的运行性能。Holubar等人[11]发现，当从第24天到第30天停止氮供应时，去除效率降至30%以下，附着在载体材料上的生物量从25克每100克减少到20克。此外，研究表明氮和磷的补充可以改变微生物的碳代谢模式[12]。此外，铁（Fe）、铜（Cu）和锌（Zn）等微量元素会影响细胞外聚合物物质（EPS）的组成，从而影响VOC的质量传递和生物膜的附着[13]、[14]。
在工业应用中，生物滴滤器的长期稳定运行通常需要持续消耗大量的营养液。Deshusses等人[15]的成本效益分析表明，营养液投加率有一个最佳范围（大约4–30克氮每立方米每天（4–30 g N·m−3·d−1），超过这个范围处理成本会显著增加。然而，在实际操作中同时实现成本优化和保持处理效率仍然具有挑战性。尽管简化营养配方和减少营养剂量被广泛认为是降低运行成本的有效方法[16]、[17]，但由于缺乏明确的临界阈值，目前尚不清楚可以在不显著降低系统性能的情况下减少营养物质的程度。
目前的研究主要集中在优化喷洒频率和控制过度生物膜生长上，而系统地评估可以减少的营养元素种类及其减少的可行性仍缺乏。虽然有一些研究探讨了营养液组成和供应模式对BTF宏观性能的影响，结果表明氮源是维持系统高效运行的关键因素[5]、[18]，[19]，但这些研究主要关注去除效率（RE）和消除能力（EC）等表面参数，而驱动微生物在营养压力下功能变化的内在机制仍不甚清楚。微生物群落结构的调整以及与营养代谢和污染物降解相关的功能基因表达响应仍不明确。因此，系统地研究营养元素的可减少潜力并阐明微生物功能响应的动态演变模式对于指导BTF营养优化策略的制定具有重要意义。
本研究重点探讨了BTF中微生物对营养压力功能响应的内在机制。具体研究了微生物群落结构的演变以及关键功能基因的调控表达，以阐明营养压力如何影响系统性能。在BTF系统中应用了不同的喷洒条件和营养浓度（氮、磷以及矿物质和微量元素），通过分析去除效率和生物膜特性来评估它们对系统性能的影响，并确定了影响系统性能的关键阈值。同时，利用BIOLOG-ECO平板和宏基因组分析揭示了生物膜群落在微观尺度上的适应性响应。通过整合宏观和微观视角，本研究加深了对BTF系统恢复力机制的理解，并为基于微生物功能调节的低成本、高性能BTF运行策略的开发提供了理论基础。
