关于异养硝化-好氧反硝化过程在高氨压力下去除氮的机制的宏基因组学见解

《Journal of Environmental Sciences》：Metagenomic insights into mechanisms of nitrogen removal by heterotrophic nitrification-aerobic denitrification process under high ammonia stress

HN-AD过程在高氨氮浓度下仍能快速响应并保持稳定脱氮性能，通过异养硝化与反硝化协同作用高效去除氨氮及总氮，假单胞菌和盐单胞菌等优势菌群与碳氮代谢基因丰度显著相关，稀有菌群作为微生物“种子库”对系统功能维持起关键作用。

　　

叶宇|胡京刚|周宇琪|刘雪梅|邓向义|方云|王国伟|车阮|肖春桥

中国武汉工业大学环境生态与生物工程学院，教育部绿色化学工艺重点实验室，长江中游生物元素微生物转化与调控湖北省重点实验室，新型生物质基环境与能源材料关键实验室

摘要

异养硝化-好氧反硝化（HN-AD）工艺在处理氨氮（NH₄⁺-N）废水方面显示出巨大潜力。然而，高氨浓度对HN-AD工艺的影响尚不明确，这限制了其工程应用。本研究在不同氨氮浓度下进行了HN-AD工艺的运行实验。HN-AD细菌通过高效利用有机碳源进行氨的同化，增强了反应器中对氨氮、总氮和化学需氧量的去除效果。宏基因组分析表明，如Pseudomonas和Halopseudomonas等菌属对高氨氮环境具有高度耐受性，并在反应器内部形成了密集的协同竞争网络，从而提高了氨氮的去除效率。随时间变化，微生物群落也发生了相应变化。某些稀有菌属可作为微生物“种子库”，以应对环境变化。在高氨氮浓度（1000 mg/L）下，丰富菌属与碳氮代谢基因显著相关。这些发现表明，HN-AD工艺能够快速响应氨氮浓度的变化，保持良好的反硝化性能，并长期稳定运行，具有很高的实用价值。

引言

随着工业和农业的发展以及城市化进程的加快，产生了含有不同浓度氨氮（NH₄⁺-N）的各种废水，严重威胁着水体的生态平衡（Lei等人，2025年）。从废水中去除氨氮可以有效防止水体富营养化，维护生物多样性，并保障人类健康，这对保护水环境和生态至关重要（Edwards等人，2024年；Insausti等人，2020年）。由于生物反硝化具有显著的氮去除效果、运行稳定、操作简单、成本低廉且环保等优点，因此在废水处理中得到广泛应用（Ye等人，2025年）。然而，传统硝化反硝化工艺中氮去除菌株的局限性增加了废水处理的运营和基础设施成本（Liu等人，2023b年）。近年来研究发现，异养硝化-好氧反硝化（HN-AD）细菌能够在好氧条件下利用有机碳源同时去除氨氮（NH₄⁺-N）、亚硝酸盐氮（NO₂^--N）和硝酸盐氮（NO₃^--N），已成为当前的研究热点（Chen等人，2023a年）。

目前，已在多个属中鉴定出具有HN-AD活性的菌株，如Bacillus（Li等人，2024年）、Pseudomonas（Chen等人，2024年）、Alcaligenes（Qin等人，2024年）、Paracoccus（Huang等人，2022年）和Acinetobacter（Leng等人，2023年）。研究发现，氨氮浓度对HN-AD细菌的反硝化性能有显著影响。Pseudomonas reactans WL20-3和Halomonas sp. DN3菌株能够在低氨氮浓度下有效去除氨氮（Wang等人，2023年；Xie等人，2023年）。杂交菌HY-1在初始氨氮浓度为200-600 mg/L的废水中表现出较高的氨氮去除效率，并能耐受1600 mg/L的氨氮浓度（Chen等人，2023b年）。Guo等人（2024年）发现，HN-AD菌群在氨氮浓度高达2000 mg/L的情况下仍能保持较高的氨氮去除率。上述研究表明，不同HN-AD细菌对氨氮的适应能力各不相同，部分菌株能耐受高氨氮浓度。因此，有必要研究高氨压力下HN-AD工艺的氮去除效率。

此外，研究表明，HN-AD细菌群落的结构会随着氨氮浓度的变化而发生显著变化（Guo等人，2024年）。但这些变化引起的功能差异尚未完全阐明，阻碍了HN-AD细菌的工程应用。微生物群落通常由丰富菌属和稀有菌属组成，它们具有不同的形成机制以及生态和功能特征（Lynch和Neufeld，2015年）。一般认为，丰富菌属数量较多，是碳氮循环等基本生态功能的主要贡献者；稀有菌属也对生态系统稳定性和功能调节起着重要作用（Wang等人，2021年；Zhang等人，2019年）。丰富菌属和稀有菌属在功能互补性和环境适应性方面形成动态平衡，共同维持生态系统的稳定性和多功能性（Wang等人，2024年；Zhang等人，2022年）。在自然生态系统中，常通过研究稀有菌属和丰富菌属来分析生态系统功能的变化。然而，在废水生物处理领域，人们对丰富菌属和稀有菌属在生物反硝化系统中的功能作用及其与反硝化系统性能的关系仍缺乏了解。本研究通过调节稀有菌属与丰富菌属的比例，有助于优化氮去除过程并提高氮去除效率。

基于此，本研究在不同氨氮浓度（100、500和1000 mg/L）下运行HN-AD工艺，旨在探讨高氨压力下的反硝化性能和运行稳定性。同时分析了细菌群落的多样性以及氨氮浓度对反应器内稀有菌属和丰富菌属变化的影响，探讨了微生物群落（稀有菌属和丰富菌属）与反硝化性能之间的联系，为HN-AD工艺的工程应用提供了技术支持和理论依据。

反应器和实验进水

本研究使用由有机玻璃制成的序批反应器（SBR）进行HN-AD工艺的实验。反应器接种了HN-AD功能菌群（附录A文本S1），反应体积为5升。进水中添加了氨氮废水，配置方法参考了以往的研究（Hu等人，2024年）。分别加入柠檬酸钠和硫酸铵作为碳源和氮源，碳氮比为

受氨氮浓度影响的异养硝化-好氧反硝化工艺的氮去除性能

不同氨氮浓度下反应器的运行数据如图1所示。在低氨氮浓度（100 mg/L）时，出水中的氨氮、总氮、MLSS和MLVSS更为稳定。在M阶段初期，出水氨氮和总氮波动较大，但在M阶段后期趋于稳定。MLSS和MLVSS浓度呈稳步上升趋势，在H阶段波动较小。

结论

HN-AD工艺能够快速响应氨氮浓度的变化，保持高效稳定的反硝化性能。然而，在高氨压力下，由于氮同化过程的增强，需要增加污泥排放量以维持稳定运行。Pseudomonas和Halopseudomonas对高氨氮环境具有更强的耐受性。Acinetobacter是微生物群落中应对剧烈变化的先锋或过渡物种

CRediT作者贡献声明

叶宇：研究、数据整理、初稿撰写。胡京刚：研究、方法学设计、验证。周宇琪：数据分析、方法学设计。刘雪梅：研究、方法学设计。邓向义：方法学设计、数据可视化。方云：软件开发、数据可视化。王国伟：研究、方法学设计。车阮：项目管理、资金筹措、监督。肖春桥：概念提出、研究、撰写、审稿与编辑。

附录A 补充数据

与本文相关的补充数据可在线版本xxxxxx中找到。

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叶宇：初稿撰写、研究、数据整理。胡京刚：验证、方法学设计、研究。周宇琪：方法学设计、数据分析。刘雪梅：方法学设计、研究。邓向义：数据可视化、方法学设计。方云：数据可视化、软件开发。王国伟：方法学设计、研究。车阮：监督、项目管理、资金筹措。肖春桥：撰写、审稿与编辑、研究、概念提出。

利益冲突声明

作者声明不存在可能影响本文研究的已知财务利益冲突或个人关系。

致谢

本研究得到了中国关键技术研究与发展计划（2018YFC1801802）的支持。