《Bioresource Technology》：Chaotic effects in completely autotrophic nitrogen removal over nitrite process: how minor dissolved oxygen variations reshape microbial community and functional genes to drive divergent nitrogen removal
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溶解氧调控完全自养反硝化过程，发现0.36-0.51 mg/L DO波动引发非线性动力学响应，低DO促进厌氧氨氧化菌（AnAOB）及hzs/hdh基因表达，高DO导致硝酸盐积累和氧化应激，揭示了DO微小波动与系统功能重构的关联机制。
李月|王伟健|张帅|罗琪|钱能峰|陈东志|金仁村|冯丽娟|杨光峰
浙江海洋大学环境科学与工程学院，中国舟山市海达南路1号，316022
摘要
为了阐明溶解氧（DO）如何调节完全自养型硝化反硝化（CANON）过程中的氮去除效果，我们在微氧条件下操作了三个连续流反应器。结果表明，轻微的DO变化（0.36–0.51 mg/L）引发了性能和微生物生态的显著分叉，表现出非线性动态和对初始条件高度敏感的混沌效应。当DO为0.36 mg/L时，总氮去除率达到了0.38 kg/m3/d，NH??-N的去除效率为86.7%。然而，DO略微增加到0.51 mg/L时，硝化细菌（NOB）的活性显著增强，同时硝酸盐积累增加。较低的DO有利于反硝化细菌（anammox bacteria）及其关键基因（hzs/hdh）的存活，而较高的DO则促进了NOB之间的竞争和氧化应激反应，表现为Fe-Mn SOD基因的上调以及细胞外聚合物组成的改变。我们的发现建立了轻微DO波动与宏观功能结果之间的直接联系，为预测和控制CANON过程提供了机制框架。
引言
氮污染仍然是全球水安全面临的普遍挑战，推动了可持续自养型氮去除技术的发展（Yuan等人，2025年）。其中，完全自养型硝化反硝化（CANON）过程特别适用于处理高铵氮（NH??-N）和低碳氮比（C/N）的废水（Lv等人，2024年；Ma等人，2025年；Xu等人，2025年），其优势在于能耗低、污泥产生少、无需外部有机碳源以及运行成本低（Singh等人，2025年）。
CANON过程在一个反应器中整合了部分硝化作用和厌氧铵氧化（anammox）过程，建立了氨氧化细菌（AOB）和反硝化细菌（AnAOB）之间的共生关系（Fu等人，2025年；Singh等人，2025年；Yu等人，2021年；Yuan等人，2025年）。在缺氧环境下，AOB将部分NH??-N转化为亚硝酸盐氮（NO??-N），后者作为AnAOB的电子受体，促进剩余NH??-N氧化为氮气，从而实现完全自养型氮去除（Guo等人，2024年；Ma等人，2025年）。然而，该过程的应用受到AOB和AnAOB生长缓慢以及它们对氧气需求差异的制约（Fu等人，2025年；Xu等人，2025年；Yuan等人，2025年）。
另一个复杂因素是硝化细菌（NOB）的存在，它们与AnAOB竞争亚硝酸盐，导致硝酸盐积累（Xu等人，2025年）。在操作因素中，溶解氧（DO）被广泛认为是关键控制参数，因为它同时影响AOB、NOB和AnAOB的活性（Bunse等人，2020年；Lv等人，2024年；Yuan等人，2025年）。较高的DO（>0.54 mg/L）会促进NOB活性，加剧对亚硝酸盐的竞争并抑制AnAOB（Varas等人，2015年）。相反，不足的DO（<0.16 mg/L）会限制AOB活性，减少AnAOB可用的亚硝酸盐（Varas等人，2015年；Yu等人，2021年）。
鉴于这种微妙的平衡，许多研究通过在不同DO水平下研究系统性能来优化CANON操作（Varas等人，2015年；Yu等人，2021年）。例如，Varas等人（2015年）报告称在0.2 mg/L DO下启动效果最佳，而Yu等人（2021年）通过交替调节DO（0.1–0.5 mg/L）增强了颗粒化效果。然而，部分硝化-反硝化系统的研究也表明，极低的DO（0.2 mg/L）会抑制anammox活性并导致NO??-N积累（Joss等人，2011年）。
尽管DO的关键作用已得到充分证实（Bunse等人，2020年；Li等人，2024年；Pérez等人，2014年），但最近的研究开始探索其对CANON性能和微生物动态的细微影响。例如，Fu等人（2025年）将DO与N?O排放联系起来，Luo等人（2024年）报道了功能基因丰度的变化，Xu等人（2025年）通过宏转录组学揭示了anammox反应，Yu等人（2021年）通过交替调节DO增强了颗粒化效果。新兴证据表明，CANON行为表现出超越传统阈值解释的非线性动态（Pérez等人，2014年）。该系统对轻微的DO扰动具有极端敏感性（Vangsgaard等人，2012年），这是混沌系统的特征，关键控制参数的微小变化可能导致不成比例和不同的功能结果（Joss等人，2011年）。虽然活性污泥模型已经从数学上描述了确定性混沌（El-Marouf和Bahaa，2015年），但在自养型氮去除系统中这种非线性动态行为的实验证据仍然有限。
Graham等人（2007年）表明，硝化过程的不稳定性可能源于脆弱的微生物相互作用，“混沌特性”这一术语也被用于描述复杂的污泥动态（Liu等人，2024年）。基于这些概念基础，本研究引入“混沌效应”一词来描述在CANON系统中观察到的特定现象。在此背景下，“混沌效应”是指由DO引起的系统级分叉，即溶解氧的微小波动（例如<0.15 mg/L）会触发CANON过程在不同功能状态之间的突然转变。这种转变不仅仅是线性响应或单一微生物功能的改变，而是微生物群落的系统性重构，伴随着关键功能基因相对丰度的相应变化。这一定义将工程生态系统中的非线性动态概念具体化，将微观群落变化与宏观功能结果联系起来。
为了解决这一差距，本研究探讨了轻微的DO变化（0.36–0.51 mg/L）是否会在CANON系统中引发混沌效应，并阐明了驱动这一现象的相互关联机制。通过结合过程性能、污泥特性、微生物群落分析和宏基因组功能分析的综合性框架，我们旨在解构对轻微DO波动的多级响应。研究表明，轻微的DO变化通过重塑微生物群落和改变功能基因的相对丰度（RA）在CANON系统中引发混沌效应，建立了从基因调控到生态系统功能的直接机制联系，从而实现精确的过程预测和控制。
实验部分
合成废水
使用含有(NH?)?SO?提供的氮和NaHCO?（1.00 g/L）提供的无机碳的合成废水。其他成分包括KH?PO?（27.00 mg/L）、CaCl?（0.10 g/L）、MgSO?·7H?O（0.30 g/L）以及微量元素。微量元素通过EDTA螯合，包括FeSO?·7H?O（2.30 mg/L）、ZnSO?·7H?O（0.50 mg/L）、CoCl?·6H?O（0.30 mg/L）、H?BO?（0.02 mg/L）、CuSO?·5H?O（0.30 mg/L）、MnCl?·4H?O（1.20 mg/L）、NaMoO?·2H?O（0.30 mg/L）和NiCl?·6H?O（0.30 mg/L）等成分。
反应器和操作策略
三个上流式连续流CANON反应器（C?、C?）
CANON反应器的性能
三个反应器的运行性能如图1所示。不同反应器之间的DO浓度存在显著差异（p < 0.05）。反应器C?在DO为0.44 ± 0.12 mg/L的条件下，平均氮去除率（ARE）为83.9% ± 5.1%，总氮去除率（TNRE）为58.5% ± 7.0%。在DO为0.51 ± 0.10 mg/L的条件下，反应器C?在稳定运行后，平均ARE为81.0% ± 6.1%，TNRE为49.7% ± 6.8%。DO最低的反应器C?为0.36 ± 0.08 mg/L，表现出最高的性能
结论
CANON过程对DO浓度表现出显著的敏感性，在DO为0.36 mg/L时达到最佳氮去除效果（0.38 kg/m3/d），比DO为0.51 mg/L时（0.31 kg/m3/d）提高了23%。这种性能提升与AnAOB（Candidatus Kuenenia和Candidatus Broadia）的富集以及anammox相关基因（hzs和hdh）的上调密切相关，后者支持了anammox活性增加了79%。相比之下，
CRediT作者贡献声明
李月：撰写 – 原始草稿、可视化、软件、方法学、数据管理、概念化。王伟健：软件、方法学、数据管理。张帅：可视化、软件、数据管理、概念化。罗琪：正式分析、数据管理。钱能峰：正式分析、数据管理。陈东志：资源、概念化。金仁村：监督、资源。冯丽娟：撰写 – 审稿与编辑、资源。杨光峰：撰写 – 审稿与编辑，
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
本研究得到了中国浙江省自然科学基金（LY23E080006）、国家自然科学基金（51808498）以及中国石化河南炼化有限公司（HXKJ2024059）项目的支持。
