高盐度胁迫下乙酸钠与葡萄糖强化硫自养反硝化系统的脱氮性能与微生物机制对比研究

《Environmental Technology & Innovation》：High-Efficiency Selective Removal of PHE from Soil Washing Effluent Using CX-(TiO?(x)Zn(y)) Composites

本文针对高盐度(25 g/L)严重抑制硫自养反硝化(SAD)系统脱氮效率的难题，通过对比乙酸钠和葡萄糖两种碳源对S?AD系统的强化效果。研究发现乙酸钠强化系统在C/N=1.5时获得90.55%的NO3--N去除率和85.13%的总氮(TN)去除率，显著优于葡萄糖系统(82.62%和81.11%)，且亚硝酸盐(NO2--N)积累更少。微生物分析揭示乙酸钠促进Denitromonas富集而葡萄糖优选Vitellibacter，两种碳源均通过上调narG和nirS基因表达增强脱氮活性。该研究为高盐废水脱氮提供了碳源优化策略。

　　

随着工业化进程加速和海水入侵加剧，高盐度废水排放量持续增加，其中硝酸盐(NO₃^--N)污染尤为突出。传统异养反硝化(HD)虽效率较高，但需投加外源碳源、污泥产量大且二氧化碳排放量高，制约其可持续发展。硫自养反硝化(SAD)以还原性硫化合物为电子供体，具有无需有机碳源、污泥产量低等优势，成为废水脱氮的新兴技术。然而，当盐度升高至15 g/L以上时，SAD系统的脱氮效率显著下降，特别是在25 g/L高盐条件下，硝酸盐去除率仅为33.63%，严重限制了其实际应用。

为破解高盐度对SAD系统的抑制难题，广西大学农业学院Agro-Environment and Agro-Products Safety重点实验室的研究团队在《Environmental Technology》发表了最新研究成果。他们通过向S?AD系统投加两种典型碳源——乙酸钠和葡萄糖，系统比较了它们在高盐胁迫下的脱氮强化效果与作用机制。研究采用上流式厌氧固定床反应器，以硫磺和石灰石(1:1, v/v)为填料，在25 g/L盐度下逐步提升C/N比(0.2-1.5)，持续运行80天监测脱氮性能、硫酸盐转化及微生物群落演化。

关键技术方法包括：(1)构建上流式厌氧固定床反应器系统，以硫磺/石灰石为填料，控制水力停留时间(HRT)为4小时；(2)采用国家标准方法监测水质指标(TN、NO₃^--N、NO₂^--N、NH₄⁺-N、SO₄^2-和化学需氧量(COD))；(3)通过扫描电镜(SEM)观察微生物形态；(4)利用Illumina MiSeq平台分析微生物群落结构；(5)采用qPCR定量检测反硝化功能基因(narG、nirS、nirK、norB、nosZ)表达。

3.1. 碳源添加对高盐胁迫下反硝化性能的影响

随着C/N比从0.2升至1.5，乙酸钠系统的NO₃^--N去除率从43.33%提升至90.55%，TN去除率从35.20%升至85.13%；葡萄糖系统对应指标分别为38.07%-82.62%和32.03%-77.67%。乙酸钠系统在各级C/N比下均表现更优，且NO₂^--N积累始终低于3 mg/L，而葡萄糖系统在C/N=0.5-1.0时出现高达12 mg/L的亚硝酸盐积累。这源于乙酸钠作为挥发性脂肪酸可直接被微生物利用，而葡萄糖需先转化为丙酮酸等中间产物，代谢路径更为复杂。

3.2. 葡萄糖和乙酸钠添加对系统中硫转化的影响

理论计算表明，每去除1 mg/L NO₃^--N应产生7.83 mg/L SO₄^2-，但碳源添加后实际硫酸盐产量均低于理论值。乙酸钠系统SO₄^2-产量为82.86-142.85 mg/L，葡萄糖系统为87.41-136.57 mg/L，且随C/N比升高，实际与理论值差距扩大。通过硫酸盐差值计算异养反硝化贡献率，发现乙酸钠使HD比例从13.4%升至35.6%，葡萄糖使HD比例从10.2%升至29.8%，表明碳源添加有效促进了硫自养-异养协同脱氮。

3.3. 葡萄糖和乙酸钠添加对高盐胁迫下S?AD系统微生物群落的影响

3.3.1. 微生物形态与结构特征

SEM显示随碳源添加量增加，填料上微生物附着量显著增多，形成网状结构。乙酸钠系统以短杆菌为主，葡萄糖系统以长杆菌为主，表明碳源类型对微生物形态具有选择性富集作用。

3.3.2. Alpha多样性

高盐胁迫下添加碳源后，Chao和ACE指数先升后降，表明适量碳源可提升物种丰富度。葡萄糖系统的Shannon指数随C/N比增加而上升，Simpson指数下降；乙酸钠系统在低C/N(0.2)时Shannon指数降低，但在C/N≥0.5后趋于稳定，说明乙酸钠更利于维持高盐环境下微生物群落稳定性。

3.3.3. 微生物群落变化

乙酸钠系统以Thiobacillus(自养)和Denitromonas(异养)为优势菌属，C/N=1.5时两者总占比达53.42%；葡萄糖系统则以Thiobacillus和Vitellibacter为主，C/N=1.5时占比为34.88%。Stappia在葡萄糖系统中丰度约12%，而在乙酸钠系统中仅为0.71%-3.53%，显示碳源类型显著影响功能菌属的富集。

3.3.4. 反硝化功能基因变化

qPCR显示两种碳源均上调narG和nirS基因表达，且乙酸钠的诱导作用更强。在C/N≥1时，乙酸钠系统的narG表达量高于葡萄糖系统，与观察到的脱氮效率差异一致。norB基因表达呈先降后升趋势，nosZ基因在中等C/N比时表达最高，提示适宜碳氮比有利于减少N₂O排放。

本研究证实乙酸钠在高盐环境下强化SAD系统的综合性能优于葡萄糖，其优势体现在三方面：代谢直接性(乙酸钠直接进入TCA循环)、微生物选择性(富集高效反硝化菌属Denitromonas)和基因调控高效性(更强诱导narG/nirS表达)。该研究为高盐工业废水处理提供了碳源优选的理论依据，指出乙酸钠作为辅助碳源可显著提升硫自养-异养协同系统的脱氮效能与稳定性，对推进高盐废水处理的低碳化发展具有重要意义。