混合营养型部分反硝化作用与厌氧氨氧化（Anammox）耦合，在富有机质条件下实现了高效的氮去除：对硫氧化菌和厌氧氨氧化菌代谢适应性的研究

《Water Research》：Mixotrophic Partial Denitrification Coupled with Anammox Achieves Robust Nitrogen Removal under Organic-Rich Conditions: Insights into Metabolic Adaptations of Sulfur-Oxidizing and Anammox Bacteria

硫驱动部分反硝化耦合厌氨氧化（SPDA）过程在有机负荷波动条件下长期运行稳定，实现93.3%和90.9%的氨氮及总氮去除率。15N同位素示踪表明硫氧化与有机碳反硝化分别贡献51.3%和27.7%的氮去除，DNA-SIP和宏基因组分析揭示Thiobacillus等硫氧化菌通过Calvin循环固碳，Candidatus Brocadia利用木-隆德 pathways及TCA循环实现有机碳代谢，阐明其混合培养的代谢协同机制。

　　

龚庆腾|曾伟|郝晓静|袁中玲|文静宇|王新鹏|彭永振

北京工业大学国家先进市政废水处理与回用技术工程实验室，中国北京100124

摘要

基于硫的部分反硝化与厌氧氨氧化（SPDA）耦合工艺是一种有前景的可持续氮去除方法。然而，在长期富有机质条件下，其微生物适应性和代谢机制仍不甚明了。本研究建立了一个由硫代硫酸盐和有机碳共同驱动的单级混合营养型部分反硝化-厌氧氨氧化（MPDA）系统，并运行了292天。尽管有机负荷率（0.35–0.45 kg COD/m3/d）波动，该系统仍表现出优异且稳定的性能，平均氨氮和总氮去除效率分别达到93.3%和90.9%。¹⁵N同位素追踪显示，由硫代硫酸盐和有机碳驱动的PDA过程分别贡献了51.3%和27.7%的氮去除量。DNA-SIP实验鉴定出关键的兼性混合营养型硫氧化细菌（如Thiobacillus和norank_f_Hydrogenophilaceae）是亚硝酸盐的主要供应来源。值得注意的是，核心厌氧氨氧化菌Candidatus Brocadia与有机负荷呈正相关，并被有机¹³C碳标记，表明其具有先前未被重视的有机自养能力。宏基因组分析显示，Thiobacillaceae家族通过Calvin循环进行碳固定，并具备完整的戊糖磷酸途径；而Brocadiaceae家族则利用Wood-Ljungdahl途径以及近乎完整的TCA循环和强健的糖原代谢来支持其混合营养特性。本研究为SOB与厌氧氨氧化菌之间的代谢灵活性和协同作用提供了新的见解，证明了MPDA工艺在富有机质废水中的高效氮去除可行性及机制。

引言

在当前广泛倡导净零或负碳排放的背景下，自养过程（如厌氧氨氧化（anammox）和基于硫的自养反硝化（SAD）因具有高可持续性和低碳排放优势而成为废水处理中氮去除的优选方法（Deng et al., 2022; Liu et al., 2019）。这两种自养氮去除过程减少了对有机碳源的依赖，从而降低了外部有机碳补充成本、二氧化碳排放和污泥产量（Cao et al., 2021）。因此，将SAD与厌氧氨氧化结合（即基于硫的部分反硝化与厌氧氨氧化耦合工艺SPDA）为废水氮去除提供了有前景且可持续的途径（Deng et al., 2021; Gong et al., 2025）。

与广泛报道的依赖有机碳的异养型部分反硝化（PD）与厌氧氨氧化耦合工艺（Du et al., 2023; Zhao et al., 2023; Zhao et al., 2023）相比，SPDA工艺具有更强的可持续性。这是因为执行SAD过程的硫氧化细菌（SOB）与厌氧氨氧化细菌具有相似的自养生理特性，因此生态位更接近（Qian et al., 2018）。然而，在许多含氨废水中（如城市污水（Ji et al., 2020）、垃圾填埋场渗滤液（Zhang et al., 2022）、水产养殖废水（Liu et al., 2024）和厌氧消化液（He et al., 2021）等），SOB和厌氧氨氧化细菌需要长期在富有机质环境中生存并克服有机压力，这对它们的代谢适应性提出了重大挑战。大多数SOB和厌氧氨氧化细菌被证实为化能自养微生物（Nosalova et al., 2023; Strous et al., 2006）。尽管如此，它们在有机碳和硫共存的条件下的高效氮去除能力已有大量报道（Gong et al., 2024; Huang et al., 2021; Wu et al., 2016）。这表明这些微生物群体对有机负荷具有一定的耐受性和有机代谢潜力。由于SOB复杂的分类群以及缺乏纯培养的厌氧氨氧化细菌，它们在混合营养条件下的代谢能力仍不明确。

目前，已知的SOB主要分布在14个属中，采用四种不同的二氧化碳固定途径：Calvin-Benson-Bassham（CBB）循环、反向三羧酸（rTCA）循环、还原性乙酰辅酶A途径和3-羟基丙酸途径（Nakagawa and Takai, 2008; Wang et al., 2023）。虽然经典代谢模型将SOB主要归类为化能自养菌，但从河口沉积物等环境中分离出的某些菌株（如Thiobacillus novellus sp.（Cha et al., 1999）、Arcobacter peruensis sp.（Callbeck et al., 2019）和Pseudomonas yangmingensis sp.（Wong and Lee, 2014）被鉴定为化能异养菌。这些微生物将异养呼吸与硫氧化和硝酸盐还原相结合（Shao et al., 2025），显示出SOB的代谢多样性。同样，厌氧氨氧化细菌也利用Wood-Ljungdahl（WL）途径进行二氧化碳固定（Strous et al., 2006）。然而，新证据表明厌氧氨氧化细菌可能通过细胞质TCA循环进行有机分解以产生还原当量和能量。基因组分析显示，大多数Candidatus Brocadia的草图基因组编码了双向TCA循环所需的基因（Naufal and Wu, 2024）。此外，所有已知的厌氧氨氧化细菌草图基因组都含有Acs基因，使乙酸能够转化为乙酰辅酶A以用于后续生化过程（Feng et al., 2019）。尽管这些发现表明SOB和厌氧氨氧化细菌具有有机代谢潜力，但目前尚无研究阐明它们在混合营养条件下的代谢机制联系。

基于上述研究空白，我们在上流式厌氧污泥床（UASB）反应器中建立了一个由有机碳和硫源驱动的混合营养型部分反硝化与厌氧氨氧化耦合系统，使用实际生活污水作为进水以模拟实际应用中的复杂有机环境。该MPDA系统运行了292天。期间，采用DNA稳定同位素探针（DNA-SIP）技术鉴定活性微生物，并揭示了碳利用模式。结合宏基因组测序，揭示了SOB和厌氧氨氧化细菌在长期富有机质条件下的碳代谢特征，以及自养和异养微生物的氮和硫转化特性。这些结果为SAD和厌氧氨氧化在含有机质废水中的应用提供了参考。

实验设置与操作

本研究使用了一个总体积为8 L的UASB反应器，有效工作体积为2 L（直径50 mm，工作高度100 cm）。UASB反应器在21.2–26.3°C的室温范围内运行。种子污泥为SAD污泥和厌氧氨氧化污泥的等体积混合。实际生活污水和含合成硝酸盐的废水同时被送入UASB反应器进行处理，两者通过底部入口以1:1的比例泵入反应器。

长期氮去除性能

在MPDA系统的长期运行过程中，进水COD浓度随季节变化而显著波动，因此根据进水COD负荷率将整个运行期分为三个阶段（图1）。在第一阶段（第1–66天），生活污水中的平均COD和NH₄⁺-N浓度分别为229.4 mg/L和89.6 mg/L，对应的COD负荷率为0.42 kg COD/m3/d。

结论

本研究开发了一种由硫自养和异养部分反硝化共同驱动的混合营养型部分反硝化与厌氧氨氧化耦合工艺。主要结论如下：

•

以SPDA为核心氮去除途径的MPDA工艺在长期富有机质条件下，平均COD负荷率为0.4 kg COD/m3/d时，NH₄⁺-N和TN的去除效率超过90%。

未引用参考文献

Zhao et al., 2023

CRediT作者贡献声明

龚庆腾：撰写——初稿、方法学、实验设计、数据分析、概念构建。曾伟：撰写——审稿与编辑、项目监督、资金获取、概念构建。郝晓静：方法学。袁中玲：方法学。文静宇：软件应用。王新鹏：软件应用。彭永振：项目监督、资金获取。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能会影响本文研究的财务利益或个人关系。

致谢

本工作得到了国家自然科学基金（编号52470021）的支持。