《Bioresource Technology》：Removal of nitrate by aerobic denitrification granular sludge under strongly alkaline and low carbon to nitrogen ratio conditions: Performance and mechanism
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本研究成功培育耐碱好氧反硝化颗粒污泥（AR-ADGS），在C/N=4.5、pH=11.0条件下实现近100%硝酸盐去除，无亚硝酸盐积累。机制表明碱性环境抑制酶活性但未改变电子分配模式，低C/N和高pH刺激EPS分泌及耐碱菌（Paracoccus、Halomonas等）富集，上调nrt及能量代谢相关基因。该成果为强碱低C/N废水硝酸盐去除提供了新方案。
严立龙|苗静文|李明轩|张彦婷|司文培|刘新元|乔建森|杨志轩|王鹏杰
东北农业大学资源与环境学院，哈尔滨 150030，中国
摘要
从高碱度废水中有效去除硝酸盐（尤其是碳氮比（C/N）较低的废水）仍然具有挑战性。本研究在C/N=4.5、pH=11.0的进水条件下成功培养出了耐碱好氧反硝化颗粒污泥（AR-ADGS），实现了接近100%的硝酸盐去除率，且没有亚硝酸盐积累。本文系统地阐明了污染物去除和耐碱性的机制。与中性条件相比，AR-ADGS在强碱环境下需要更长的适应期（约80天）才能达到稳定的硝酸盐去除效果。尽管强碱环境使硝酸盐还原酶（NAR）活性降低了54.34±2.17%，亚硝酸盐还原酶（NIR）活性降低了19.33±1.10%，并且电子传递效率（复合物I和III的活性分别降低了15.69%和3.04%），但这些变化并未改变电子分配模式。值得注意的是，碱胁迫对厌氧反硝化过程的抑制作用较弱，但改变了其电子分配模式。低C/N和碱性条件促进了微生物分泌更多的蛋白质、腐殖酸以及信号分子（C6-HSL和C12-HSL），从而增强了污泥的稳定性并加速了硝酸盐的去除。碱胁迫还富集了耐碱反硝化菌（如
Paracoccus、
Halomonas、
Roseomonas），并上调了与电子/能量代谢和硝酸盐转运相关的基因（如R2中的
、、、，其表达量分别是R1的6.41倍、6.16倍、6.20倍和2.06倍）。微生物的适应性表现在通过肽聚糖合成增强细胞壁完整性、激活Na+/H+反向转运蛋白（如、、），以及合成酸性代谢物（由介导）以维持细胞内pH平衡。这项工作为处理低C/N和高碱度的含硝酸盐废水提供了新的解决方案。引言
城市化的快速发展导致全球含硝酸盐工业废水的排放量急剧增加（Dutta等人，2021年）。高氮浓度会导致水体富营养化、生态破坏和人类健康风险（Zhang等人，2023c年），因此去除氮成为当务之急。同时，某些工业废水（如核放射性废物处理站的废水）具有较高的pH值（9–13）。特别是来自爆炸品制造等行业的工业废水含有大量的硝酸盐和铵离子。传统的物理化学处理方法通常会使废水pH值升高到10以上（Madeira等人，2020年），因此后续处理残留的硝酸盐对于降低环境污染风险至关重要。这些废水通常有机质含量较低，导致碳氮比（C/N）较低（Albina等人，2021年）。虽然传统的生物反硝化技术在中性或弱碱性废水中表现良好，但在处理高碱度含硝酸盐废水时效率显著下降，尤其是在低C/N条件下（Qian等人，2019年）。
近年来，好氧反硝化技术作为一种有前景的生物技术出现，它可以在一个曝气反应器中同时进行硝化和反硝化，具有反应速度快、能耗低和操作简便等优点（Fu等人，2022年）。好氧反硝化菌是这项技术的核心，已被广泛分离和研究（Yan等人，2023年；Ju等人，2023年；Zhang等人，2022年）。尽管大多数好氧反硝化菌的适宜pH范围为中性至弱碱性，但有些菌株在pH高于9.0的条件下仍能有效去除硝酸盐（Yan等人，2023年；Kang等人，2023年）。这为高效处理高碱度含硝酸盐废水提供了可能。
工业废水中常见的低C/N条件会限制反硝化菌所需的电子供体，从而影响生物脱氮效果。例如，Pannonibacter sp. W30在C/N=3时的硝酸盐去除效率仅为16.96%（Zhang等人，2022a）。虽然添加外源电子供体（如有机物、铁、硫）可以提高处理效果（Ma等人，2024年），但这会增加成本并带来二次污染的风险。因此，开发能够在低C/N条件下高效去除高碱度废水中硝酸盐的新技术对于工业废水处理至关重要（Albina等人，2021年）。
好氧颗粒污泥（AGS）能够形成氧气梯度，支持好氧反硝化过程（Wang等人，2022a）。与传统生物膜工艺（如MBBR）相比，AGS无需额外的微生物载体和基础设施成本（Huang等人，2024年），并且具有更好的抗冲击负荷能力和更强的环境适应性（Wang等人，2020年）。然而，AGS的性能受pH值和C/N值的影响显著：将C/N从16降低到4时，总氮（TN）去除率下降了47.53%（Huang等人，2024年）；高进水pH值会导致AGS分解（Jiang等人，2019年）。将耐碱好氧反硝化菌与AGS结合可形成耐碱好氧反硝化颗粒污泥（AR-ADGS），该系统具有较高的pH耐受性，并能在无需复杂调节的情况下实现高效脱氮。尽管AR-ADGS在C/N=10、pH=10.8时表现出良好的硝酸盐去除效果，但在更低C/N条件下的效果仍需进一步研究。胞外聚合物物质（EPS）对促进AGS形成和增强污染物去除至关重要。EPS中的蛋白质（PN）和多糖（PS）通过改变其疏水性影响颗粒的形成和絮凝（Yan等人，2024年）。此外，EPS含有丰富的氧化还原物质（如腐殖酸（HA）和DNA），这些物质通过促进电子转移来帮助去除污染物（Yan等人，2025b）。EPS还包含某些信号分子（如酰基同型丝氨酸内酯（AHLs），这些分子通过群体感应机制影响污染物去除（Yan等人，2025a）。目前关于信号分子（SM）和EPS对生物脱氮影响的研究主要集中在中性或弱碱性条件下，并且大多使用外源信号分子（Yan等人，2025b）。然而，关于高碱度条件下内源信号分子和EPS的作用研究较少，这对于阐明AR-ADGS的脱氮机制至关重要。本研究考察了在pH=11、C/N从10降低到4.5时的污泥特性、污染物去除动力学、微生物群落动态和代谢功能。本研究的主要目标如下：（1）评估AR-ADGS在低C/N和高碱度条件下的硝酸盐去除效果；（2）阐明EPS中PN、PS、HA和SM的作用；（3）明确AR-ADGS的硝酸盐去除和耐碱性机制。这些结果揭示了AR-ADGS适应恶劣环境并实现高效脱氮的内部机制，为AGS技术的理论创新和应用提供了重要基础。
反应器操作和废水组成
本研究使用了两个相同的SBR反应器，遵循以下循环：5分钟进水、445分钟曝气（好氧阶段）、5分钟沉淀（无曝气）、1分钟出水和24分钟无曝气闲置时间（Yan等人，2024年）。反应器中接种了Pseudomonas sp. JI-2菌株，在pH=7.5（R1）和pH=11（R2）以及C/N=10.0的条件下培养出了具有稳定脱氮能力的AR-ADGS（Yan等人，2024年）。为了应对低C/N的实际需求，本研究调整了进水中的C/N值
污泥特性
R1和R2中的污泥在整个运行期间表现出不同的发育模式（见补充材料）。在最初的30天适应期内，两个反应器中的污泥颗粒都较小且相对均匀。R1中的污泥呈深黄褐色，而R2中的污泥在强碱环境下变为黄红色。到第100天时，R1中的污泥颗粒变为均匀的黄色，而R2中的污泥颗粒体积增大
结论
本研究开发了一种新的生物处理工艺，适用于低C/N和高pH值的废水。在C/N=4.5、pH=11的进水条件下长期培养后，实现了高效的硝酸盐去除。与中性条件相比，强碱环境需要更长的适应期，但AR-ADGS在此期间保持了结构完整性和良好的沉淀性能。尽管低C/N和碱胁迫同时存在，但仍能保持高效脱氮效果
未引用的参考文献
Dhamole等人，2008年；Zhang等人，2024年。
CRediT作者贡献声明
严立龙：软件开发、资源管理、实验设计、资金获取、概念构思。苗静文：初稿撰写、数据可视化、方法验证、数据分析、数据分析。李明轩：初稿撰写与编辑、数据可视化。张彦婷：撰写与编辑。司文培：撰写与编辑。刘新元：撰写与编辑。乔建森：撰写与编辑。杨志轩：撰写与编辑。
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
本研究得到了国家自然科学基金（项目编号：52270060）的支持。
