《Journal of Hazardous Materials》：Overcoming salinity inhibition in biological wastewater treatment: AHLs synchronize aniline mineralization and nitrogen removal
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高盐含氮有机废水处理中，通过筛选3-oxo-C6-HSL增强微生物群体感应，有效缓解盐胁迫对硝化过程的抑制，实现有机氮矿化与无机氮去除的协同增效。SBR系统显示其使5%盐度下硝化周期缩短至5天（对照18天），8%盐度下总氮去除率达79.46%。生物滤器中维持了高稳定性，亚硝酸盐积累减少37.87%，同时实现95% COD和80% TN去除。机制表明AHLs通过激活群落感应增强代谢活性与抗逆机制，促进致密稳定生物膜形成，并富集关键脱氮菌群如Azoarcus。
姜一帆|王英豪|岳正博|翟慧|徐五松|于子杰|王金
安徽工业大学资源与环境工程学院，中国合肥230009
摘要
高盐度含氮有机工业废水由于其极高的渗透压和复杂的成分，对微生物活性构成了严重威胁，常常导致生物脱氮系统出现灾难性故障。本研究提出了一种基于AHL（N-酰基-高丝氨酸内酯）的群体感应策略，以系统性地缓解盐度抑制效应，从而同时增强有机氮的矿化作用和无机氮的去除效果。研究发现3-氧代-C6-HSL是效果最好的化合物，它能够在盐度胁迫下促进氨的氧化并减少亚硝盐的积累。在SBR（序批式生物反应器）系统中，3-氧代-C6-HSL使5%盐度下的硝化过程在5天内完成，而对照组则需要18天，并且在8%盐度下实现了79.46%的总氮（TN）去除率，显著高于其他AHLs。在生物曝气滤池中，添加3-氧代-C6-HSL后，系统在8%盐度下仍能保持高稳定性和高效率。这一效果通过以下数据得到验证：亚硝盐积累减少了37.87%，5天内苯胺降解率达到99%，并且在盐度条件下同时去除了95%的COD（化学需氧量）和80%的TN。机制分析表明，3-氧代-C6-HSL激活了微生物的群体感应机制，从而增强了代谢活性和耐盐防御机制。此外，它还有助于形成更密集、更稳定的生物膜结构。组学分析进一步显示，AHLs显著富集了关键的苯胺降解菌（如Azoarcus），系统性地激活了苯胺降解途径和无机氮转化循环中的多个限速酶。这项研究为高盐度含氮有机废水的生物处理提供了一种创新且高效的微生物通信策略，从而加深了对极端环境压力下生物脱氮机制的理解。
引言
高盐度工业废水污染是一个重大的全球生态和工程挑战[35]。化工制造、制药和染色等行业排放的高盐度含氮有机废水，其复杂的成分、升高的渗透压和强生物毒性给工业废水处理带来了严重障碍[53]。生物脱氮（BNR）因其成本效益和可持续性而被广泛采用。然而，高盐度条件会严重损害微生物群落，主要是由于渗透压失衡和离子特异性毒性[32]。因此，BNR的效率显著下降。高盐度抑制了整个硝化过程，但这种抑制是不对称的：亚硝盐氧化菌（NOB）通常比氨氧化菌（AOB）受到更严重的抑制。这种差异导致亚硝盐的积累，成为了一个关键瓶颈。再加上由于硝化过程整体受到抑制而产生的氨的积累，这种不平衡最终威胁到了BNR系统的稳定性，可能导致系统运行崩溃[16]。
目前管理高盐度胁迫的策略主要涉及预处理物理化学方法和生物强化策略。预处理技术（如蒸发和膜分离）已显示出显著效果[10]、[57]，但这些方法常常面临高成本、能耗大和潜在的二次污染等问题，阻碍了其在工业规模上的应用[17]。另一方面，专注于增强单个生物单元的策略（如生物驯化或功能性细菌联合体的应用）通常存在驯化时间长、性能不稳定以及引入的微生物在盐度环境中缺乏长期竞争力的问题[33]、[54]。这些方法的一个根本局限性是它们倾向于只关注增强单个微生物或特定功能，而忽视了高盐度对群落内部协作网络的系统性破坏。因此，迫切需要一种新的工程策略，通过调节群落系统层面的通信机制来重建和优化微生物群落的协同功能。
群体感应（QS）作为微生物中的基本细胞间通信系统，为调节微生物生态系统功能提供了新的工程范式[27]、[46]。外源性添加N-酰基-高丝氨酸内酯（AHL）信号分子可以通过诱导EPS（胞外多糖）分泌来增强物理防御，并通过调节基因表达显著提升微生物群落的代谢适应性和抗逆性[21]、[58]。因此，基于AHL的策略有望同时增强微生物的耐盐性（通过增强EPS分泌和应激响应途径）和氮代谢，从而解决盐度条件下硝化过程的抑制问题。然而，将AHLs应用于含有复杂有机氮的高盐度废水处理时，仍存在一些研究空白。首先，功能协同性被忽视了。当前研究往往将AHLs的抗逆性和脱氮效果视为独立的，缺乏将耐盐响应与氮代谢相结合以实现协同效果的研究[11]、[26]。其次，研究范围较窄。大多数研究集中在AHLs对简单有机物的降解或单一无机氮的去除上[43]、[49]，而缺乏系统性地调节高盐度环境下有机氮矿化和无机氮去除相互关联过程的策略[36]。第三，技术途径尚不明确。鉴于AHLs的结构多样性和高特异性，迫切需要系统地确定在高盐度胁迫下最有效的AHL结构，并阐明AHLs如何特异性地调节从难降解有机氮到氮气转化的整个代谢途径[8]。
鉴于这些研究空白，本研究探讨了特定AHL信号分子对微生物生态的精确调控作用。主要目标是增强高盐度胁迫下的有机氮矿化和无机氮去除效果。我们通过梯度盐度冲击实验系统筛选出了对耐盐脱氮效果最强的AHL（3-氧代-C6-HSL），并将其应用于曝气生物滤池（BAF）系统中。我们验证了AHLs在不同盐度条件下对无机氮去除的增强效果和稳定性，以及在高盐度苯胺废水中的有机氮矿化和同步反硝化作用。本研究的目标有三个：（1）确定在高盐度胁迫下最能有效增强BNR功能的AHL信号分子；（2）评估该AHL对无机氮去除和有机氮（苯胺）矿化的同步增强效果；（3）阐明AHLs激活群落反硝化和苯胺降解的微观过程和机制。这项研究为高盐度含氮有机废水的生物处理提供了一种创新的生态工程策略，并通过“微生物通信”的视角系统地深化了对生态系统功能调节的理解，具有重要的理论和应用价值。
实验部分
AHLs筛选实验
本实验旨在确定最有效的AHL类型，以增强盐度胁迫下的氮去除效果。建立了12个相同的圆柱形丙烯酸序批式反应器（SBRs），每个反应器的有效体积为400mL（内径5cm，高径比为4.1）。这些反应器在六种条件下进行重复实验：五种AHL类型（C4-HSL、C6-HSL、C6-DL-HSL、3-氧代-C6-HSL、C8-HSL）和一个对照组。活性污泥接种物来自
盐度冲击下的氮去除性能
使用C4-L-HSL、C6-L-HSL、C6-DL-HSL、3-氧代-C6-HSL和C8-L-HSL来强化生物系统，以比较不同碳链长度和取代基结构的AHLs对SBR系统的不同增强效果。在SBR反应器上进行了多梯度盐度冲击实验，每天监测TN、NH4+-N、NO2?-N和NO3?-N的排放浓度（图2a）。经过初始微生物驯化（0-10天）后，所有反应器都表现良好
结论
本研究提出了一种基于AHL的生物处理高盐度含氮有机废水的新策略，成功实现了有机氮矿化和无机氮去除的同步增强。信号分子3-氧代-C6-HSL被证明是最有效的。它在5%盐度下使硝化过程在5天内完成，而对照组则需要18天，并且在8%盐度下保持了79.46%的总氮去除率。
环境意义
本研究关注有害环境污染物苯胺和高盐度含氮有机废水这一紧迫问题。实验在具有环境相关性的盐度压力（2% - 8%）下进行，这种压力典型地存在于工业废水中。我们证明群体感应信号3-氧代-C6-HSL能够同步增强难降解有机氮的矿化和无机氮的去除。该策略减少了亚硝盐的积累并改善了系统性能
作者贡献声明
姜一帆：撰写——原始草稿、可视化、方法学、概念化。于子杰：软件开发。王金：撰写——审稿与编辑、监督、资源管理、项目协调、资金筹集。王英豪：验证、方法学、数据管理。岳正博：撰写——审稿与编辑、监督、资源管理、资金筹集、概念化。翟慧：实验研究、数据管理。徐五松：数据管理。
利益冲突声明
作者声明以下可能的财务利益和个人关系可能构成利益冲突。岳正博报告称获得了中国国家自然科学基金的支持。王金报告称获得了中国国家自然科学基金的支持。岳正博还报告获得了青海省重点研发与转化计划的支持。如果有其他作者，他们
致谢
本研究得到了中国国家自然科学基金（项目编号42577236、42472373）和青海省重点研发与转化计划（2025-QY-246）的资助。作者感谢丁马、方金涛和李浩在本研究早期阶段提供的宝贵帮助。
利益冲突声明
作者声明他们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。
