厌氧氨氧化颗粒污泥在低温波动条件下的性能变化及其适应性机制

《Biodegradation》：Size-dependent performance and adaptive mechanisms of anammox granular sludge under fluctuating low-temperature conditions

本研究对比高温（28.3℃）与低温波动（11-23℃）厌氧氨氧化反应器，发现低温下游离亚硝酸盐（FNA＞0.5μg/L）显著抑制anammox活性，导致氮去除效率下降16%。机制分析表明，低温促使EPS结构脆弱化、颗粒破碎（小颗粒占比增32%），同时生物量减少（VSS/SS降至27.9%）。研究揭示系统通过大颗粒（>2mm）保留核心菌群（如C. caeni）和小颗粒（<0.25mm）富集冷适应基因（调控膜流动性、合成溶质、增强抗氧化及细胞通讯）实现适应性响应。

　　

摘要

厌氧氨氧化（anammox）是一种可持续且能源效率高的废水处理技术，适用于高氨浓度和低碳氮比（C/N比）的废水。然而，其运行性能常受到低温的挑战，尤其是在实际应用中常见的温度波动条件下。了解anammox颗粒污泥对这种温度压力的适应机制对于该技术的稳定应用至关重要，特别是涉及污泥大小、微生物群落动态以及与氮去除和耐寒性相关的功能基因之间的相互作用。本研究通过观察两个不同温度条件下的anammox反应器（一个在高温28.3°C下运行，R₁；另一个在波动的低温11–23°C下运行，R₂）来阐明这些机制。结果表明，在低温下，游离亚硝酸盐（FNA）水平的升高（>0.5 μg L^?1）与anammox活性受到抑制有很强的相关性；在15°C时，氮去除效率比高温反应器R₁降低了16%。表观温度系数（Q₁₀）介于0.90到1.27之间，表明细菌活性具有典型的温度依赖性。低温增加了胞外聚合物物质（EPS）的结构脆弱性，削弱了颗粒的强度，并使小颗粒（<0.25 mm）的比例相对于R₁增加了32%，同时使生物量含量（挥发性悬浮固体（VSS）/悬浮固体（SS）降至27.9%。我们的研究发现，该系统并非简单地受到抑制，而是表现出复杂的适应反应：较大的颗粒（>2 mm）作为核心anammox细菌（尤其是Candidatus Jettenia caeni）的稳定储存库，确保了生物量的保留；而通过低温诱导碎裂产生的较小颗粒（<0.25 mm）则充当了先锋角色。这些小颗粒富含一系列适应低温的基因，使它们能够通过调节膜流动性、合成适应性溶质、增强抗氧化防御以及精细调节细胞间通信来直接应对低温压力，从而表现出更高的环境敏感性。

图形摘要

厌氧氨氧化（anammox）是一种可持续且能源效率高的废水处理技术，适用于高氨浓度和低碳氮比（C/N比）的废水。然而，其运行性能常受到低温的挑战，尤其是在实际应用中常见的温度波动条件下。了解anammox颗粒污泥对这种温度压力的适应机制对于该技术的稳定应用至关重要，特别是涉及污泥大小、微生物群落动态以及与氮去除和耐寒性相关的功能基因之间的相互作用。本研究通过观察两个不同温度条件下的anammox反应器（一个在高温28.3°C下运行，R₁；另一个在波动的低温11–23°C下运行，R₂）来阐明这些机制。结果表明，在低温下，游离亚硝酸盐（FNA）水平的升高（>0.5 μg L^?1）与anammox活性受到抑制有很强的相关性；在15°C时，氮去除效率比高温反应器R₁降低了16%。表观温度系数（Q₁₀）介于0.90到1.27之间，表明细菌活性具有典型的温度依赖性。低温增加了胞外聚合物物质（EPS）的结构脆弱性，削弱了颗粒的强度，并使小颗粒（<0.25 mm）的比例相对于R₁增加了32%，同时使生物量含量（挥发性悬浮固体（VSS）/悬浮固体（SS）降至27.9%。我们的研究发现，该系统并非简单地受到抑制，而是表现出复杂的适应反应：较大的颗粒（>2 mm）作为核心anammox细菌（尤其是Candidatus Jettenia caeni）的稳定储存库，确保了生物量的保留；而通过低温诱导碎裂产生的较小颗粒（<0.25 mm）则充当了先锋角色。这些小颗粒富含一系列适应低温的基因，使它们能够通过调节膜流动性、合成适应性溶质、增强抗氧化防御以及精细调节细胞间通信来直接应对低温压力，从而表现出更高的环境敏感性。

图形摘要