《Bioresource Technology》：Water-in-oil emulsion fermentation as a platform for poly(3-hydroxybutyrate-
co-3-hydroxyhexanoate) production from hydrophobic feedstocks
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本研究通过接种成熟厌氨氧化污泥将部分反硝化（PD）模式转变为PD-Anammox（PDA）耦合工艺，显著降低氮氧化物（N?O）排放至0.037%（原5.920%）。微生物群落重构抑制了nor基因表达（如MAG.447、MAG.408），同时增强nosZ基因活性（MAG.80、MAG.408），形成协同减排机制：上游抑制N?O生成，下游强化还原。该成果为PD系统N?O减排提供了新策略和分子机制支撑。
Xinchun Ding | Jialei Li | Junqing Hou | Wei Zhao | Kailong Huang | Depeng Wang | Xu-Xiang Zhang
中国南京大学环境学院，国家水污染控制与绿色资源回收重点实验室，南京 210023
摘要
尽管部分反硝化（PD）-厌氧氨氧化（PDA）工艺因高效的氮去除能力而受到赞誉，但其对一氧化二氮（N?O）排放的影响以及驱动这些排放的微生物机制仍不甚明了。本研究提出并验证了一种通过接种成熟厌氧氨氧化污泥将氮去除途径从PD模式转变为PDA模式来减少N?O排放的策略。这一干预措施成功大幅降低了N?O排放（排放因子从5.920%降至0.037%）。向PDA模式的转变促进了微生物群落的深刻重组，导致先前占主导地位的物种（如MAG.447、MAG.26和MAG.118）的数量减少。关键在于，这种群落变化限制了了一氧化氮还原酶（nor）基因的表达，尤其是来自MAG.447和MAG.408物种的基因表达，从而抑制了N?O的主要生成途径。此外，nor基因与N?O还原酶（nosZ）基因表达比的降低表明，重组后的群落具有强大的N?O还原能力，这主要归因于关键的非典型反硝化细菌（如MAG.80和MAG.408）的出现，这些细菌具有高水平的nosZ基因表达。总体而言，PDA模式下N?O的显著减少是通过上游源控制（抑制N?O生成）和下游消耗（增强N?O还原）之间的协同作用实现的。本研究为PDA系统中N?O减排提供了成功的策略和深入的机制见解。
引言
废水处理领域的最新趋势是将污染物去除与碳中和相结合，这使得控制一氧化二氮（N?O）成为首要关注点（He等人，2023年）。部分反硝化（PD）通过将硝酸盐策略性地还原为亚硝酸盐，为厌氧氨氧化细菌提供了理想的底物，从而促进了厌氧氨氧化工艺的主流应用（Im等人，2025年）。然而，较高的亚硝酸盐浓度会严重抑制一氧化二氮还原酶（NosZ）的活性（Wu等人，2024年），而该酶是反硝化途径中的最终酶，导致大量N?O作为副产品释放（Niu等人，2025年）。因此，PD系统中的N?O排放因子可高达10%（Cao等人，2024年），甚至超过了传统的硝化-反硝化系统（Liu等人，2023年）。尽管该技术具有潜力，但这种内在的权衡使得PD过程成为N?O的一个重要来源。因此，开发有效的减排策略对于充分发挥PD在可持续废水处理中的潜力至关重要。
减少PD系统中的N?O排放从根本上依赖于防止亚硝酸盐的积累（Wu等人，2024年）。在这种背景下，将PD与厌氧氨氧化工艺结合，建立耦合的PD-厌氧氨氧化（PDA）系统是一种有前景的策略（Du等人，2019年）。理论上，厌氧氨氧化细菌对亚硝酸盐的消耗可以减轻对N?O还原的抑制，从而抑制N?O的排放（Kwon等人，2025年；Wu等人，2022年）。这一潜力进一步得到了厌氧氨氧化工艺本身较低N?O排放因子的支持（Kuenen，2008年）。因此，本研究假设通过将厌氧氨氧化污泥直接接种到PD系统中，可以有效地限制系统的N?O排放。尽管PDA系统的氮去除性能优越，但其对N?O排放特征的影响，特别是其背后的微生物机制，仍需系统地阐明。
厌氧氨氧化系统中极低的N?O排放是一种群体层面的现象，而非厌氧氨氧化细菌的直接代谢结果（Okabe等人，2011年）。这一特征主要归因于厌氧氨氧化污泥中存在的异养微生物，它们作为有效的N?O吸收体（Conthe等人，2019年）。例如，转录活性研究表明，Burkholderiaceae、Chloroflexus、Rhodoferax和Azospirillum等微生物通过高表达nosZ基因发挥N?O吸收作用（Suenaga等人，2021年）。因此，当使用厌氧氨氧化污泥接种PD系统时，不仅引入了厌氧氨氧化细菌，还引入了一组强大的N?O还原细菌。同时，这种外来群落的引入会引发与本土PD菌群的复杂相互作用（Mai等人，2021年；Zhu等人，2024年）。这种相互作用可以重塑整个群落并调节氮代谢途径，最终决定N?O的生成和还原（Yan等人，2019年）。因此，PDA系统中的最终N?O排放是这些复杂相互作用共同作用的结果。然而，这些微生物动态如何调节N?O排放的机制仍不甚清楚。
鉴于此背景，本研究对独立的PD系统和耦合的PDA系统进行了比较研究。尽管最终的工程应用是耦合的PDA工艺，但将其与独立的PD工艺进行比较具有重要的科学意义。独立的PD系统作为必要的基准，可以定量评估厌氧氨氧化整合所实现的N?O减排效率。此外，这种比较方法能够区分接种外来污泥所引起的特定效应（Du等人，2019年；Zhang等人，2020年），明确亚硝酸盐消耗的作用以及引入的异养N?O还原细菌的贡献。最后，了解PD阶段的N?O特性对于管理PDA系统的启动和运行稳定性至关重要，在完全耦合之前，该系统可能会暂时表现为独立的PD系统（Han等人，2021年；Yu等人，2023年）。
本研究的主要目标是：（1）评估和比较PD模式和PDA模式下生物反应器的N?O排放特征；（2）研究微生物群落结构的差异，并阐明关键氮代谢网络的动态；（3）通过整合宏基因组分箱技术和meta-转录组分析，识别负责N?O生成和还原的关键功能细菌。本研究的结果有望提供PD模式和PDA模式之间N?O动态的机制理解，并为基于PD的废水处理过程中N?O减排策略的开发提供依据。
部分
生物反应器操作和实验策略
整个实验在一个实验室规模的扩展颗粒污泥覆盖层（EGSB）生物反应器中进行，有效工作体积为1升，分为两个不同的阶段以建立PD和PDA模式。生物反应器的运行水力停留时间为3小时，循环比为4:1。通过循环水浴系统将操作温度稳定维持在30±1°C。进水的pH值通过控制保持在7.5–8.0范围内。
PD和PDA模式下的生物反应器性能
实验从启动PD生物反应器开始，此时出水中NO??-N浓度从1.98毫克/升显著增加到18.92毫克/升（图1），导致NTR从6.7%增加到41.4%。达到准稳态后，NTR平均稳定在54.2%。值得注意的是，所获得的NTR低于具有充足碳源的研究中的报告值，这一发现可以归因于本研究的操作限制。PD模式是在碳源充足的条件下进行的。
结论
本研究通过接种成熟厌氧氨氧化污泥，将氮去除过程从PD模式转变为PDA模式，成功大幅减少了N?O排放。这一干预措施促进了微生物群落的显著重组，导致先前占主导地位的反硝化细菌数量减少，同时富集了新的功能菌群。在基因水平上，这种更替对于抑制norBC的活性起到了关键作用。
CRediT作者贡献声明
Xinchun Ding：撰写——原始草稿、可视化、正式分析、数据管理。Jialei Li：可视化、方法学、研究、数据管理。Junqing Hou：研究、数据管理。Wei Zhao：方法学、正式分析。Kailong Huang：数据管理。Depeng Wang：撰写——审稿与编辑、监督、方法学、研究、资金获取。Xu-Xiang Zhang：撰写——审稿与编辑、监督、项目管理、资金获取、概念构思。
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报告的工作。
致谢
本研究得到了中国国家自然科学基金（52025102、52100068和52100082）和江苏省科技支撑项目（BE2022861）的支持。
