解读由碱性污泥发酵液驱动的氮和碳代谢过程：对生理反应及功能基因的洞察

ASFL通过抑制NOB促进PN稳定运行，同时作为碳源支持反硝化与厌氧氨氧化协同作用，实现98%氮去除效率，微生物分析揭示Ca. Brocadia主导关键基因表达。

　　

李晓迪|王波|姜坦|曾伟|彭永珍

中国北京工业大学北京工程研究中心，国家先进城市污水处理与回用技术工程实验室，北京，100124

摘要

利用碱性污泥发酵液（ASFL）来提高生物脱氮效率是一种可持续的污水处理策略。然而，在由ASFL驱动的先进脱氮系统中，氮和碳的代谢过程仍不清楚。本研究将ASFL引入到一个部分硝化-反硝化-厌氧氨氧化（PND）系统中，用于处理实际的生活污水，实现了98.0%的稳定脱氮效率。ASFL抑制了亚硝酸盐氧化菌，维持了部分硝化过程，同时作为有效的碳源促进了反硝化反应，并提供了NH₄⁺-N以支持厌氧氨氧化反应，从而实现了“一石三鸟”的效果。微生物和宏基因组分析揭示了群落结构及功能基因的动态变化，其中Ca. Brocadia（0.12%）对关键厌氧氨氧化基因（hzs和hdh）的贡献最大，突显了其在氮代谢中的关键作用。这些发现展示了ASFL在提高脱氮效率及促进可持续污水处理方面的潜力，并为ASFL驱动的氮和碳代谢途径提供了基础性见解。

引言

鉴于全球气候变化的加剧，到2060年实现碳中和已成为最紧迫和重要的全球目标之一[1]。然而，污水处理厂（WWTPs）的可持续性仍然面临严峻挑战，这主要是由于过度依赖碳基资源，从而留下了大量的碳足迹[2]。利用各种资源进行能源生产可以在推进污水处理技术碳中和方面发挥不可或缺的作用[3]。最近的研究表明，碱性污泥发酵液（ASFL）作为一种高效的、可持续的碳源，用于生物脱氮，其在经济可行性和减少碳足迹方面优于传统的化学碳源[4]。然而，只有少数研究关注以反硝化为核心的应用，忽视了ASFL与其他氮转化过程之间的复杂相互作用，这可能阻碍了污水处理系统中整体脱氮策略的发展。

部分硝化（PN）通过氨氧化菌（AOB）将氨（NH₄⁺-N）氧化为亚硝酸盐（NO₂^?-N），从而降低了污水处理厂的能源消耗和碳源需求[5]。然而，控制不需要的亚硝酸盐氧化菌（NOB）仍然是实际应用PN的主要挑战，尤其是在处理低浓度污水时[6]。有研究表明，使用ASFL可以抑制NOB在硝化过程中的活性，从而促进PN的稳定进行[7]。部分硝化-反硝化（PND）通过依次将NH₄⁺-N转化为NO₂^?-N，再进一步转化为氮（N₂），在理论上可为硝化节省约25%的氧气，为反硝化节省40%的有机碳[8]。然而，由于生活污水中碳氮比（C/N）较低，PND的效率常常受到可降解碳不足的限制。为了解决这一问题，提出使用ASFL作为碳源来增强污水处理厂的反硝化效果[9]。因此，利用ASFL作为碳源稳定实施PND为实现污水处理厂的循环发展和碳中和提供了一种有前景的方法[10]。然而，由于ASFL本身含有NH₄⁺-N以及氮有机物的再水解作用，其引入系统会导致NH₄⁺-N浓度显著增加，从而限制了其在PND过程中的应用[11]。

厌氧氨氧化（anammox）已成为最主要的可持续脱氮生物技术[12]，但其广泛应用受到两个关键挑战的制约：硝酸盐（NO₃^?-N）的持续积累（约占进水总无机氮的11%[13]）以及在不同进水条件下的过程不稳定[14]。尽管多种氮转化途径（如部分硝化-反硝化-厌氧氨氧化（PNDA）[15]、部分硝化-厌氧氨氧化（PNA）[16]和部分反硝化-厌氧氨氧化[17]）显示出更好的运行稳定性，但ASFL在调节这些多途径网络中的机制作用仍待探索。此外，高分子量和易生物降解有机物的共存使得ASFL在厌氧条件下会发生再水解。这一过程可能影响微生物的选择，并改变集成氮去除系统中的碳和氮代谢途径[18]。这些组成特征使ASFL区别于传统的碳源，强调了系统评估其对氮和碳代谢途径影响的必要性，包括生理响应、微生物群落结构及其代谢功能。

在本研究中，将ASFL引入到一个序批反应器（SBR）中，用于处理碳氮比较低的实际生活污水，旨在探索由ASFL驱动的部分硝化-反硝化-厌氧氨氧化（ASFL-PNDA）过程中的氮和碳的生理响应及代谢途径。研究目的包括：（i）估算长期脱氮效果；（ii）分析有机物的转化；（iii）探讨功能微生物之间的协同机制以及碳和氮代谢途径的演变。总体而言，这项工作有望为未来ASFL-PNDA技术在可持续污水处理管理中的应用提供全面的理解。

反应器设置与操作

为ASFL-PNDA系统建立了一个有效体积为6升的实验室规模SBR，并连续运行了131天（图1a）。ASFL-PNDA系统分为三个阶段（图1b），操作参数详见文本S1和表S1。SBR在室温（19.2–26.7°C）下每天运行两个周期，排水比为50%。接种的污泥来自一个实验室规模的反应器。

长期性能

单级生物反应器在连续运行131天内的脱氮性能如图2所示。在阶段I（第1-20天），反应器在厌氧/好氧条件下运行。由于氨氧化菌（AOB）的氧气半饱和常数（0.2–0.5 mg O₂/L）高于亚硝酸盐氧化菌（NOB）（0.7–2.0 mg O₂/L）[20]，因此好氧阶段控制较低的溶解氧浓度（0.3–0.7 mg/L），以促进PN的快速启动（图S1）[21]，[22]。正如预期的那样，PN过程

结论

本研究阐明了ASFL在PNDA系统中驱动的氮和碳的代谢途径，提供了关于微生物生理响应和功能基因表达的见解，这些因素促进了氮的去除。ASFL-PNDA系统实现了98.0%的超高脱氮效率，这得益于PN、反硝化和厌氧氨氧化之间的协同作用。在这个综合框架中，ASFL通过选择性地抑制NOB发挥了多重作用

CRediT作者贡献声明

李晓迪：撰写——原始草稿，可视化，概念化。王波：撰写——审阅与编辑，监督，项目管理。姜坦：撰写——审阅与编辑。曾伟：研究。彭永珍：监督。

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所述的工作。

致谢

本研究得到了国家自然科学基金（编号：22476005、22176007）和北京市属高校青年拔尖人才培养项目（BPHR202203009）的支持。