从富含表面活性剂的废水中高效去除生物氮：构建本土微生物群落、量化耐受性评估及多层次容错机制

《Bioresource Technology》：Resilient biological nitrogen removal from surfactant-rich wastewater: construction of an indigenous community, quantitative tolerance assessment, and multi-level fault tolerance mechanisms

本研究通过长期定向驯化开发出具有高效异养硝化-好氧反硝化（HN-AD）能力的原核微生物群落（ICM），其LAS耐受浓度阈值（HC5）提升78%，并建立定量动力学模型。关键机制包括感应系统调控、EPS包裹及氧化还原平衡优化，显著增强氮去除效率。

　　

赵文杰|陈佩珍

农业农村部农业环境保护研究所，天津 300191，中国

摘要

线性烷基苯磺酸盐（LAS）会严重抑制生物氮去除过程。在本研究中，通过长期定向驯化培养出一种具有异养硝化-好氧反硝化（HN-AD）能力的本土微生物群落（ICM）。该微生物群落在0–300 mg/L的LAS浓度范围内表现出显著的抗性，其氮转化速率是传统活性污泥的两倍多。通过将Haldane动力学模型与物种敏感性分布分析相结合，我们发现该微生物群落的5%危险浓度（HC₅）提高了78%，从而大幅增强了其生态耐受性。宏基因组学和qPCR分析表明，该微生物群落的韧性体现在多层面的响应中：群体感应调控、EPS介导的氮固定作用以及增强的氧化还原稳态都增强了HN-AD性能。优势菌属Pseudomonas和Aeromonas将解毒作用与氮去除过程相结合。这些发现表明该微生物群落已从被动生存状态转变为主动增强氮去除能力，为处理富含表面活性剂的废水提供了定量参考依据。

引言

异养硝化-好氧反硝化（HN-AD）已成为同时去除废水中碳和氮的有效技术（Khanichaidecha等人，2019年）。然而，随着家庭污水中线性烷基苯磺酸盐（LAS）的普遍存在，其复杂性不断增加，这已成为破坏HN-AD系统稳定性的关键因素。市政废水中的LAS浓度通常在2至21 mg/L之间，而在商业洗衣厂排放水中，LAS浓度可高达300 mg/L（Luo等人，2023年；Wang等人，2023年）。作为两亲性表面活性剂，LAS通过破坏微生物细胞膜完整性和抑制关键代谢酶而表现出明显的生物毒性，最终导致氮去除效率降低（Chen等人，2023年；Zhang等人，2021年）。

以往关于LAS胁迫下生物氮去除的研究主要集中在LAS对个别硝化或反硝化菌株的急性毒性影响上（Zhang等人，2021年；Zheng等人，2024年）。尽管已探索通过添加外源工程微生物来暂时增强系统的抗性（Luo等人，2023年；Fan等人，2025年），但由于这些微生物与本地微生物群落的生态适应性较差且竞争激烈，实际应用中效果有限（Zhang等人，2023年），因此这种方法往往难以长期稳定运行。此外，LAS如何干扰复杂微生物群落内的代谢流量的机制仍不明确，主要是因为现有研究往往忽略了表面活性剂解毒与氮转化过程之间的协同作用（He等人，2024年；Wu等人，2026年）。关键在于，目前缺乏一个将抑制动力学与生态毒性评估相结合的定量框架，这阻碍了生态耐受性边界的精确定义以及群落层面早期预警指标的开发。

为填补这些知识空白，本研究通过定向长期驯化培养出了一个本土微生物群落（ICM）。我们不仅停留在定性描述层面，还系统研究了该微生物群落在LAS胁迫下的分层容错响应，重点关注物理屏障、生理调节和代谢调控在维持HN-AD功能中的作用。为了定量确定LAS耐受阈值，将Haldane动力学模型与物种敏感性分布（SSD）分析相结合。此外，还利用宏基因组学和定量PCR（qPCR）分析来阐明优势菌群如何通过功能互补性维持代谢稳态。总体而言，本研究为微生物群落对LAS胁迫的适应性提供了新的见解，并为开发适用于富含表面活性剂的废水的耐受性生物氮去除系统提供了定量基础。

研究内容摘要

合成废水与ICM培养

根据来源和地区不同，家庭废水中的总氮（TN）含量通常在15–50 mg/L之间（Zhang等人，2023年）。因此，本研究选择了20 mg/L和40 mg/L的TN浓度来模拟低氮负荷和高氮负荷条件下的LAS暴露情况。这些浓度处于以往研究中的常见范围内（Zhang等人，2023年）。实验中使用了富马酸二钠（C₄H₄O₄Na₂·6H₂O）和硫酸铵（(NH₄)₂SO₄作为碳源和氮源。

ICM的氮去除效率

在两种TN负荷条件（20 mg/L和40 mg/L）下，评估了ICM和对照组（CK）在不同LAS浓度（0–300 mg/L）下的氮去除性能（图2A）。两种系统中均观察到明显的剂量依赖性抑制效应，随着LAS浓度的增加，COD、NH₄⁺–N和TN的去除效率下降。然而，ICM始终表现出更高的耐受性和运行稳定性。在低LAS浓度（≤1 mg/L）下，ICM...

结论

本研究成功培养出了一个能够在强LAS胁迫（高达300 mg/L）下高效进行HN-AD的本土微生物群落。利用Haldane动力学和SSD模型进行的定量评估表明，定向驯化显著增强了该微生物群落的生态耐受性，使其5%危险浓度（HC₅）提高了78%。这种增强韧性得益于由群体感应调控的多层次适应策略，其中EPS介导的氮固定作用...

CRediT作者贡献声明

赵文杰：撰写初稿、软件开发、数据整理。陈佩珍：撰写修订稿、监督、资源协调、项目管理、方法设计、实验实施、资金申请。

利益冲突声明

作者声明不存在可能影响本文研究的已知财务利益冲突或个人关系。

致谢

本研究得到了中国农业科学院的院级重大科学技术任务（CAAS-AEPI-2025-02）和天津市科技计划（22YFZCSN00170）的支持。