编辑推荐：
异养硝化与好氧反硝化（HN-AD）在温暖季节中国不同纬度污水处理厂（WWTPs）的分布特征及环境驱动机制研究。采用体外实验、qPCR功能基因检测、高通量测序及多元统计分析，发现高纬度WWTPs中HN-AD贡献率达32.22%，显著高于中低纬度地区，主要受高氨氮和COD浓度驱动。HN-AD相关基因（haoA/haoC）拷贝数及优势菌属（Ferruginibacter/Dokdonella）丰度均随纬度升高而增加，环境因子通过影响污水组成和溶解氧间接调控HN-AD菌群。该研究首次系统揭示HN-AD菌群在跨纬度WWTPs中的分布规律与环境驱动机制，为工艺优化提供理论依据。
杨瑞春|崔友伟|李振英|隋源|任通|顾新宇|苏明珠|卢泽友
中国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，北京，100124
摘要
异养硝化作用和好氧反硝化作用（HN-AD）能够创新现有的废水处理工艺。然而，HN-AD在废水处理厂（WWTPs）中的分布及其环境驱动机制仍不清楚。本研究采用了一系列综合方法，包括体外实验、定量PCR功能基因检测、高通量测序和多变量统计分析，对中国暖季不同纬度地区的废水处理厂进行了研究。研究发现，在高纬度地区的废水处理厂中，HN-AD对氮的去除贡献高达32.22%，分别是中纬度和低纬度地区的1.39倍和1.86倍，这归因于较高的进水氨氮和化学需氧量（COD）浓度。高纬度地区HN-AD功能基因haoA和haoC的拷贝数分别为4.28 × 10^6和1.03 × 10^8拷贝/克污泥，显著高于中纬度和低纬度地区。HN-AD细菌的平均丰度分别为6.16%、2.68%和2.52%，其中Ferruginibacter和Dokdonella是两种主要的HN-AD属细菌，其丰度随纬度降低而逐渐减少。废水成分随纬度变化，尤其是进水氨氮和化学需氧量，被认为是影响HN-AD细菌丰度的关键因素。研究结果表明，HN-AD细菌的数量和丰度受纬度影响，而废水质量可能是这一现象的潜在驱动因素。这些发现为理解HN-AD在废水处理厂中的氮去除贡献和潜力提供了理论依据。
引言
在过去的一个世纪里，生物废水处理技术取得了许多突破性进展，这得益于日益严格的处理标准和新功能微生物的不断发现[1],[2]。随着废水处理技术的成熟，厌氧-缺氧-好氧（A2/O）工艺和氧化沟（OD）工艺已在中国各地的废水处理厂得到广泛应用[3],[4]。这些工艺依靠自养硝化细菌和异养反硝化细菌来实现废水中氮的去除。尽管这些传统的氮去除方法能够满足排放标准，但它们面临着诸如占地面积大、能耗高和二氧化碳排放量增加等挑战[5],[6]。
20世纪80年代末，Robertson等人首次发现了Thiosphaera pantotropha的异养硝化作用和好氧反硝化作用（HN-AD）过程，打破了传统的氮去除理论框架[7]。HN-AD能够在好氧条件下同时去除废水中的氮和有机物质。与传统氮去除过程（自养硝化和异养反硝化）相比，HN-AD避免了微生物之间的底物竞争，实现了碳和氮的同时去除，为废水处理系统的创新提供了新方法[8],[9],[10]。废水处理技术的创新依赖于特殊功能微生物的发现和利用。然而，HN-AD在实际废水处理厂中的成功应用仍面临诸多挑战。首先，废水处理厂中HN-AD功能细菌群落尚未得到系统研究，对其微生物丰度和功能的了解也不充分。由于对HN-AD功能微生物的基本认知不足，尚未建立有效的调控系统来使其成为系统中的优势物种。
要在废水处理厂中实现HN-AD，关键在于识别系统中的HN-AD功能微生物群落并明确使其成为优势物种的关键驱动因素。目前的研究主要集中在实验室规模上，通过调节溶解氧（DO）、污泥停留时间和盐度等参数来富集HN-AD微生物群落[11],[12],[13]。然而，关于实际废水处理厂中HN-AD微生物的分布特征、丰度调控机制和环境驱动因素仍缺乏系统研究。值得注意的是，废水处理厂中微生物群落的组装过程明显依赖于空间尺度[14]。在小空间尺度上，操作参数和进水水质是主要调控因素；而在大空间尺度上，与纬度相关的气候类型是主导因素[15],[16]。纬度梯度导致关键环境条件的系统变化，直接影响微生物群落。具体来说，由于地区用水和基础设施的差异，废水的有机负荷和C/N比随纬度增加[3]。同时，由于低温下氧气溶解度增加，高纬度地区的溶解氧含量通常较高[17]。此外，温度本身随纬度降低而降低，直接影响微生物的代谢活动和氮去除效率[18],[19]。废水成分也随纬度显著变化。不同纬度地区的温度和降水量存在差异，导致农业灌溉模式的不同。工业布局和排放特征也因纬度而异[20]。农业非点源污染的类型和负荷在地理上也存在差异[21]。工业点源污染的排放特征也随纬度而变化[21]。尽管大规模研究揭示了纬度梯度对废水处理厂中微生物群落结构和多样性的宏观影响[19],[22]，但这些研究主要集中在活性污泥中的通用细菌类群上，并未专门针对HN-AD细菌等功能群体。关于不同纬度地区废水处理厂中HN-AD细菌群落的分布，仍存在显著的知识空白。全规模废水处理厂中HN-AD细菌群落的丰度尚不清楚，其对氮去除的贡献也未进行量化。此外，目前尚不清楚哪些环境因素主导了HN-AD细菌群落的组成和功能，也没有进行系统分析来解决这一问题。最近，杨瑞春及其同事成功开发了针对HN-AD细菌（haoA、haoB和haoC）的特异性引物。这些hao基因与普通氨氧化细菌（AOB）的hao基因不同，它们负责在异养硝化过程中将羟胺转化为亚硝酸盐，为大规模研究废水处理厂中的HN-AD群落提供了有效的新方法[23]。
基于此，本研究采用体外实验、定量PCR（qPCR）功能基因检测、高通量测序和多变量统计分析，对不同纬度地区的多个废水处理厂进行了系统研究。这是首次跨纬度系统的HN-AD细菌群落研究，旨在探索HN-AD的潜力、微生物群落的组成及其关键环境驱动因素。本研究首次阐明了HN-AD微生物的纬度分布特征和环境驱动机制，填补了不同纬度下HN-AD微生物群落动态的关键知识空白。
样本采集和理化指标测定
选择了中国不同纬度的11个全规模废水处理厂（图1）。这些废水处理厂的纬度范围为22.52°至43.83°N，经度范围为87.62°至117.81°E。这11个采样点的名称按纬度从高到低排列，分别为WL、CC、CY-A、CY-D、CY-S、ZZ、TL、CD、DL-A、DL-S和ZS。根据地理纬度，所有废水处理厂被划分为高纬度、中纬度和低纬度三类。每个纬度范围内都有相应的废水处理厂
不同纬度地区废水处理厂的运行差异
不同纬度地区的11个废水处理厂的运行差异见表1。进水氨氮浓度范围为16至55 mg/L，高纬度地区的浓度高于低纬度地区。这种纬度差异可能与地区农业强度的差异有关。高纬度采样区域包括中国的主要粮食生产区，在这些地区，生长高峰期（与采样时间重合）施用了大量的氮肥
不同纬度地区废水处理厂中HN-AD对氮去除的贡献差异
通过聚类分析（图6a和b）研究了不同纬度地区废水处理厂中HN-AD的具体硝化速率及其在氮去除中的比例。高纬度、中纬度和低纬度地区的具体硝化速率分别为0.0058、0.0031和0.0013 NH4+-N/mg VSS·h，高纬度地区的硝化速率高于低纬度地区。这可能与高纬度地区废水处理厂中较高的COD浓度有关
结论
研究期间，在不同地理纬度的废水处理厂中观察到了HN-AD现象，尽管主要的氮去除机制仍然是自养硝化。对于高纬度地区的废水处理厂，进水水质通常具有较高浓度，这可能促进了HN-AD菌群的富集，显著增加了异养硝化对总氮去除的贡献。HN-AD在氮去除中的比例受到多种因素的共同影响
作者贡献声明
杨瑞春：撰写——原始稿件、可视化、验证、方法学、研究、数据分析、概念构建。崔友伟：撰写——审稿与编辑、监督、资源获取、方法学、研究、资金争取、数据分析、概念构建。李振英：可视化、验证、方法学、研究、数据分析。隋源：可视化、验证、方法学、研究。任通：验证、方法学、研究。
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文的研究结果。
致谢
作者感谢国家自然科学基金（项目编号：52170064和51878010）的财政支持。
