揭示其机制：通过化学预处理的玉米芯中的DOM（可溶性有机物质）促进微生物群落的演替，进而驱动反硝化作用的发生

《Journal of Environmental Chemical Engineering》：Unveiling the mechanism: DOM from chemically pretreated corncobs drives denitrification via mediating microbial community succession

高效脱氮：化学预处理玉米秸秆渗滤液对DOM结构和微生物群落的影响机制

　　

英白|瑞杰·马|正国·崔|洪武·崔|伟民·龚|魏东|郝莉|勇旭|建雷·陈|克明·曲

中国渔业科学院黄海渔业研究所海洋养殖生物育种与可持续产品国家重点实验室；山东省青岛市青岛市海洋科学技术中心海洋渔业科学与食品生产过程实验室，邮编266071

摘要

海洋水产养殖尾水中相对较低的碳氮比限制了异养反硝化作用。因此，需要引入外部碳源。虽然农业废弃物是经济高效的碳源，但其难降解的木质纤维素阻碍了微生物的降解。幸运的是，存在多种预处理方法可以增强木质纤维素的水解。本研究考察了化学预处理（酸、碱和过氧化氢）对玉米芯渗滤液脱氮效果的影响，探讨了渗滤液中溶解有机物（DOM）结构变化对微生物群落和反硝化过程的影响。结果表明，碱预处理最大化了蛋白质类物质（尤其是酪氨酸类成分）和溶解有机碳的利用效率，实现了99.98%±0.19%的硝酸盐去除率，且未产生亚硝酸盐氮积累。变形菌作为主要的功能性反硝化菌，通过降解蛋白质类DOM生成电子供体，从而增强了反硝化作用。本研究阐明了化学预处理增强反硝化的DOM-微生物耦合机制，为低碳水产养殖尾水处理提供了理论支持。

引言

与传统水产养殖方法相比，循环水产养殖系统（RAS）具有更多优势，包括更紧凑的空间需求、可调节的环境条件、最低的水消耗量以及更高的鱼类养殖密度（Zou等人，2018年）。在RAS中，来自高蛋白饲料的亚硝酸盐氮（NO₂^?-N）和铵氮（NH₄⁺-N）通过硝化作用转化为硝酸盐氮（NO₃^?-N）。高浓度的NO₃^?-N会增加水中的阳离子水平，影响养殖物种（如鳗鱼、鳟鱼、虾和比目鱼）的生长，并对人类健康构成风险（Pronzato等人，1998年；Schneider等人，2007年；Davidson等人，2014年；Li等人，2021年）。反硝化作用被广泛认为是最有效的脱氮方法，具有低运营成本、高效率和最小副产物生成的特点。该过程涉及反硝化微生物：这些微生物以NO₃^?-N为最终电子受体，利用有机碳作为电子供体，并将氮转化为N₂气体从而将其从水中去除（Liu等人，2017a年；Chen等人，2020年；Qiu等人，2021年）。大多数反硝化细菌是异养的，因此需要有机碳供应来维持其生长并促进NO₃^?-N的还原（Lee和Rittmann，2003年）。在RAS中，水产养殖尾水的碳氮比（C/N）较低；因此，需要引入外部有机物质作为碳源以确保有效的异养反硝化。通常使用易于生物降解的有机物质（如甲醇、乙醇和葡萄糖）来增强反硝化作用（Zhao等人，2012年；Suhr等人，2014年）。

然而，添加这些化学碳源会增加运营成本并可能带来健康风险（Cao等人，2019年）。由于农业废弃物易于获取、成本低且可生物降解，它们正逐渐被视为生物脱氮的替代碳源。这些废弃物主要含有纤维素、半纤维素和木质素，含有大量溶解有机物（DOM）。DOM富含有机碳，为反硝化细菌提供电子供体和能量，从而促进反硝化。各种农业副产品（如玉米芯（Liu等人，2017b年）、花生壳（Xiong等人，2019年）、稻秆（Zhou等人，2019年）、稻壳（Fu等人，2014年）和小麦秸秆（Tao等人，2021年）已被评估为废水处理的固体碳源。当用作碳源时，这些材料可以在生物膜系统中支持显著的脱氮速率（0.42-0.67 mg NO₃^?-N/h），同时具有较高的碳释放能力（化学需氧量：100-250 mg/g）（Xiong等人，2020年；Ling等人，2021年）。来自农业废弃物的DOM，尤其是纤维素和半纤维素中的DOM，最初释放较快，随后释放速率减慢（Feng等人，2015年；Gao等人，2013年）。这种减缓现象是由于木质素与纤维素和半纤维素紧密结合，形成了抗性的木质纤维素结构（Li等人，2022a年）。因此，直接水解未经处理的农业废弃物会导致水解效率低，DOM释放受限。通过预处理可以降低木质纤维素材料的抗性。多种技术（包括化学、物理、物理化学和生物方法）可以显著改善木质纤维素的水解效果（Zhang等人，2015年；Brar等人，2016年；Elumalai等人，2016年；Sun等人，2016年），其中化学预处理最为常见。例如，经过碱预处理的玉米芯比未经处理或酸预处理的玉米芯更有效地释放碳，并实现更高的脱氮速率。运行35天后的微生物分析显示，碱预处理系统的微生物数量和多样性增加，反硝化和纤维素降解细菌的丰度也更高（Liu等人，2022年）。因此，可以说碱预处理的玉米芯在低C/N尾水中能有效增强反硝化作用。Long等人（2023年）应用三维（3D）激发-发射矩阵（EEM）荧光光谱技术分析了未经处理、预处理和酶处理的农业废弃物渗滤液中的DOM成分。他们的分析表明，不同的预处理方法导致DOM组成不同。微生物以不同的速率利用这些DOM成分，直接影响反硝化性能。傅里叶变换离子回旋共振质谱（FT-ICR-MS）分析显示，微生物优先利用低饱和度的脂肪族、蛋白质类和氨基糖类化合物，从而显著提高了系统的反硝化效率（Mei等人，2025年）。化学预处理可以改善碳释放性能，而DOM的结构在决定反硝化效率方面起着关键作用（Wang等人，2023年）。当前的研究主要集中在未经处理和酸碱处理的农业废弃物的碳释放和反硝化性能上。然而，关于不同化学预处理方法如何影响反硝化过程中的DOM结构，尤其是DOM组成如何驱动微生物群落动态并最终影响氮去除效率的机制仍缺乏系统性的解释。阐明这一核心机制将推动该领域从经验性试验转向机制驱动的研究，实现碳源的精确设计和过程的智能调控，从而优化和升级农业废弃物的资源利用技术，促进高效环保的反硝化处理系统的开发，最终促进水产养殖业的绿色可持续发展。

玉米芯是中国的主要农业废弃物，富含多糖、纤维素和半纤维素。这些成分可以为异养细菌提供缓释的有机碳源（Zheng等人，2023年）。本研究使用经过酸、碱和过氧化氢预处理的玉米芯渗滤液作为外部碳源，通过异养反硝化过程处理海洋循环水产养殖尾水。研究目标为：（1）评估反硝化性能；（2）表征DOM结构变化；（3）分析不同DOM组成下的微生物群落动态；（4）探讨不同化学预处理方法下DOM组成、微生物群落和反硝化效率之间的机制联系。

材料

实验使用八孔玉米芯作为原料。使用模拟海洋循环水产养殖系统的无菌人工废水作为水源。向天然海水中添加KH₂PO₄和KNO₃（盐度30±2‰）作为磷和氮的来源。从水产养殖系统中收集的反硝化污泥在使用前进行了活化处理。污泥被接种到营养液中（300 mg/L C₆H₁₂O₆，30 mg/L NO₃^?-N）

脱氮性能

在40小时的脱氮实验中，不同化学预处理方法的脱氮效果有所不同（图2）。所有三组的初始NO₃^?-N水平均为50 mg/L（图2A）。NRR值呈现以下顺序：碱预处理组 > 过氧化氢预处理组 > 酸预处理组。这表明碱预处理组中的反硝化细菌以更高的速率利用了NO₃^?-N。碱预处理组的NRE最高

结论

我们研究了不同化学预处理方法对增强反硝化性能的影响，并揭示了使用玉米芯渗滤液作为碳源时DOM和微生物群落在反硝化过程中的结构变化。结果表明，与酸预处理和过氧化氢预处理组相比，碱预处理组的NRE更好，且未产生亚硝酸盐氮积累。此外，碱预处理组的DOC也更高

未引用的参考文献

(Chen等人，2024年；Yang等人，2021年)

CRediT作者贡献声明

郝莉：写作 – 审稿与编辑，资源管理，数据整理。勇旭：写作 – 审稿与编辑，方法学，数据整理。魏东：写作 – 审稿与编辑，可视化，资源管理。洪武·崔：写作 – 审稿与编辑，监督，资源管理，项目统筹。伟民·龚：方法学，调查，数据整理。瑞杰·马：写作 – 初稿撰写，正式分析，数据整理。正国·崔：写作 – 审稿与编辑，监督，资源管理，项目统筹，

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的利益冲突或个人关系可能影响本文的研究工作。

致谢

本研究得到了国家重点研发计划（2023YFD2400403）、山东省自然科学基金（ZR2024MC171；ZR2022QC111）、国家自然科学基金（32202998）、CARS-47（CARS-47-G21）、中央公益性科研机构基础研究基金（CAFSS NO.2023TD53）和中央公益性科研机构基础研究基金（YSFRI，CAFSS NO.20603022024023）的支持。