通过厌氧/好氧/缺氧策略将外源电子供体驱动的反硝化过程转变为内源电子供体驱动的反硝化过程：关键驱动因素、性能提升以及微生物群落动态变化

《Environmental Research》：Switching exogenous to endogenous electron donor-driven denitrification via anaerobic/aerobic/anoxic strategy: Key drivers, enhanced performance, and microbial community dynamics

本研究通过优化A/O/A-SBR工艺参数，实现低C/N市政污水内源反硝化的高效脱氮，发现维持0.5-1.0 mg/L低溶解氧和4小时延滞缺氧阶段可促进Candidatus Competibacter富集及内源碳源（PHA/糖原）的高效利用，使脱氮效率从60.2%提升至83.2%。

　　

邵 Zhu | 曹申斌 | 彭永珍 | 杜睿

北京工业大学重庆研究院，中国重庆 401100

摘要

从低碳氮（C/N）城市废水中高效去除氮仍然是一个主要挑战。尽管厌氧/好氧/缺氧（A/O/A）工艺中的内源性反硝化作用（ED）在节省碳和能源方面越来越受到关注，但在实际应用中实现关键功能微生物的可靠启动和可控富集技术仍然具有挑战性。本研究展示了在低溶解氧（DO）和延长缺氧条件下，A/O/A序批反应器（SBR）中从外源性电子供体驱动的反硝化成功转变为内源性电子供体驱动的反硝化的过程。经过运行优化后，系统中Candidatus Competibacter的相对丰度从0.96%增加到35.42%，这对ED起到了关键作用。因此，氮去除效率从60.2%提高到了83.2%。结果表明，最佳的聚羟基烷酸（PHA）积累发生在厌氧阶段90分钟时。低DO范围（0.5–1.0 mg/L）对于最小化好氧PHA消耗至关重要，确保其可用于后续的反硝化过程。在4小时的延长缺氧期间，糖原被确定为主要的电子供体，PHA、胞外聚合物物质（EPS）和细胞代谢物也起到了次要作用。微生物群落分析确认Candidatus Competibacter是优势菌株，它利用内部储存的聚合物促进了硝酸盐的还原。这种富集归因于充足的糖原储存（37.3mmolC/L）以及与反硝化聚磷酸盐积累菌（DPAOs）的竞争减少。最终，这种结合策略和选择性富集反硝化糖原积累菌（DGAOs）促进了内部碳源的利用，不仅实现了高效的氮去除，还减少了处理低碳氮废水的污泥产生。

引言

众所周知，生物脱氮对于控制富营养化至关重要（Ye等人，2021年）。然而，这种方法在实际应用中受到补充碳的依赖限制，这带来了经济和运营上的负担，特别是对于低碳氮（C/N）废水，因此人们寻求替代策略（Gao等人，2023b；Xing等人，2025年）。内源性反硝化（ED）作为一种有前景的策略出现，使反硝化细菌能够在缺氧阶段利用细胞内储存的碳（糖原和聚羟基烷酸（PHA）作为电子供体，从而减少对外部碳的依赖（Yan等人，2019年）。有效实施ED需要一个交替进行厌氧和缺氧阶段的工艺。在这种情况下，厌氧/好氧/缺氧（A/O/A）工艺，特别是在序批反应器（SBR）模式下，为富集内源性反硝化菌（如反硝化糖原积累菌（DGAOs）和反硝化聚磷酸盐积累菌（DPAOs）提供了理想的环境（Wang等人，2015年）。这些微生物在厌氧阶段将外源性有机物转化为缓慢生物降解的细胞内碳源，随后在缺氧阶段用于氮和磷的去除。然而，ED效率的提高高度依赖于细胞内碳储存和消耗的精确调控。

提高ED效率的关键在于对细胞内碳储存和消耗的战略性调控，这对外部环境参数非常敏感，特别是厌氧暴露时间和好氧阶段的溶解氧（DO）浓度（Li等人，2023年）。过长的厌氧时间可能会损害PHA的积累，而过高的DO水平可能导致碳储存的过早消耗，从而降低其在缺氧阶段的可用性。相反，保持较低的DO浓度（0.5–1.0 mg/L）已被证明可以抑制过度的好氧呼吸，同时有利于碳的保存，为后续的反硝化过程提供支持（Zhao等人，2018年）。除了糖原和PHA等细胞内聚合物外，胞外聚合物物质（EPS）——尤其是蛋白质——以及微生物代谢物也构成了重要的电子供体库，它们与微生物群落动态的相互作用从根本上决定了ED的性能（Ren等人，2021年）。此外，微生物群落结构在塑造ED途径中起着决定性作用。在低碳氮条件下，Candidatus Competibacter和Dechloromonas等功能菌属的富集与氮去除效率的提高有关（An等人，2024年；Dong等人，2025年）。然而，这种理解主要来自对不同ED系统运行模式的研究。

尽管ED的反硝化潜力显著，但在A/O/A模式中的应用仍存在几个关键瓶颈。首先，现有研究主要集中在已建立的内源性反硝化系统的性能上（Song等人，2021年）。在A/O/A-SBR中从外源性电子供体向内源性电子供体驱动的反硝化稳定转换的核心机制尚不清楚。其次，尽管Candidatus Competibacter已被确定为ED的关键功能菌（Yang等人，2023年），但在实际操作控制下的其富集丰度通常较低，这限制了对其代谢功能和工程应用潜力的深入理解。第三，目前的范式主要关注已知的细胞内聚合物（PHA、糖原）作为电子供体，并将内源性反硝化过程主要归因于它们，忽视了其他内源性电子供体（如EPS和可溶性微生物产物（SMPs）的潜在系统贡献。

因此，为了填补这些关键空白，本研究旨在通过A/O/A策略系统地研究在SBR中处理低碳氮废水时ED的建立和优化。具体目标包括：（1）通过调节厌氧/好氧参数，阐明从外源性电子供体驱动的反硝化向内源性电子供体驱动的反硝化转换的机制；（2）在这种A/O/A模式下实现并验证关键功能菌（Candidatus Competibacter）的高速率富集，并评估其与系统性能的关联；（3）识别A/O/A-SBR系统中可用于ED的电子供体类型，超越传统的PHA/糖原模型，包括EPS和SMPs。通过综合分析工艺性能、微生物群落动态和碳转化，本研究阐明了如何可靠地建立和优化基于A/O/A的ED工艺，从而为其在低碳废水处理中的应用提供了理论基础。

部分摘录

废水和种子污泥

本研究中使用的种子污泥来自中国北京道翔湖污水处理厂的二次沉淀池，其混合液悬浮固体（MLSS）浓度为11,772 mg/L，混合液挥发性悬浮固体（MLVSS）浓度为7,600 mg/L。对于批次实验，在实验室规模的A/O/A-SBR的空闲阶段采集污泥，以确保与反应器的微生物群落和运行条件一致。

A/O/A-SBR的长期性能

为了建立和优化低碳氮废水的ED处理，A/O/A-SBR运行了150天，分为四个连续阶段，系统地调整了厌氧时间、好氧时间和DO浓度。该策略旨在逐步提高细胞内碳的储存和利用，从而提高TIN去除效率。

第一阶段（第1-43天）用于系统启动和细胞内碳储存的初步增强。

结论

本研究成功在A/O/A-SBR中建立并优化了ED工艺，实现了从低碳氮废水中的高效氮去除。通过系统地调节运行参数，研究阐明了关键驱动因素——特别是内源性电子供体的类型——以及从外源性电子供体驱动代谢向内源性电子供体驱动代谢转换的增强性能和潜在的微生物机制。主要结论如下：

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一个明确的

CRediT作者贡献声明

杜睿：写作 – 审稿与编辑、验证、监督、项目管理。彭永珍：写作 – 审稿与编辑、监督。邵 Zhu：写作 – 初稿撰写、正式分析、概念构思。曹申斌：写作 – 审稿与编辑、监督

未引用的参考文献

Arnold等人，1994年；Azab和Soror，2020年；Li等人，2024年；Wang等人，2024年。

利益冲突声明

? 作者声明他们没有已知的竞争性财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。

致谢

本工作得到了四川省和重庆市科技创新合作计划（CSTB2024TIAD-CYKJCXX0012）和中国国家自然科学基金（52461160299）的支持。