肼驱动的颗粒化作用及部分硝化-反硝化（anammox）系统中的功能分化：尺寸依赖性的代谢变化与微生物演替

《Bioresource Technology》：Hydrazine-driven granulation and functional differentiation in partial nitrification-anammox systems: size-dependent metabolic shifts and microbial succession

本研究探讨低剂量水合肼对氨氧化-硝化系统的影响，证实其通过促进EPS分泌形成选择性压力，加速大颗粒污泥形成，显著提升氮去除率386.6%，并维持系统稳定33天以上。

　　

Xinyu Wan | Yasong Chen | Shilong Liu | Wan Sun | Wanlin Lv | Zhicheng Zhao | Fangyuan Jing | Weiwei Cai

中国长江经济带生态环境国家工程研究中心，中国三峡集团，武汉430014，中华人民共和国

摘要

本研究探讨了肼（N₂H₄）作为代谢调节剂在厌氧氨氧化（anammox）系统中加速颗粒形成和功能恢复的作用。低剂量肼（5 mg N₂H₄ L^?1）使氮去除率提高了386.6%，显著优于高氮负荷对照组。从机制上看，肼起到了能量传递媒介的作用，促进了富含蛋白质的胞外聚合物（EPS）的分泌。这种作用产生了一种独特的“选择压力”，消除了不稳定的小颗粒，并推动了系统向较大颗粒（平均粒径2.38 mm）的形态转变。这些结构变化延长了氧气传递的限制，形成了更稳定的生态位，抑制了硝酸盐氧化菌（NOB）并保护了厌氧氨氧化菌（AnAOB）的核心。重要的是，在停止添加肼后，系统仍保持了33天的功能稳定性，显示出持续的结构和功能 robustness，而不仅仅是短暂的刺激效应。总体而言，这些发现表明肼是一种高效、短期的“生物催化剂”，适用于全规模厌氧氨氧化工程的快速启动或紧急恢复。

引言

厌氧氨氧化（anammox）被认为是一种高效的氮去除技术。特别是，一步式部分亚硝酸盐氧化-厌氧氨氧化（PN/A）工艺已被广泛用于高浓度氨废水处理（Lackner等人，2014年）。该系统的成功在很大程度上依赖于颗粒污泥的使用，颗粒污泥具有优良的沉淀性能，并有助于形成溶解氧（DO）梯度（Kartal等人，2012年）。

肼（N₂H₄），作为厌氧氨氧化代谢途径中的高能中间体（Strous等人，2006年），在调节氮去除性能方面起着关键作用。因此，关于外加肼对厌氧氨氧化系统启动、强化和恢复的影响已进行了大量研究（Ganesan和Vadivelu，2019年；Ma等人，2018年；Miodoński等人，2019年；Sui等人，2020年；Zhou等人，2022年）。研究表明，长期添加肼可以显著增强厌氧氨氧化的代谢活性并减少硝酸盐的产生，从而恢复系统性能（Yao等人，2016年）。此外，肼还作为一种选择性抑制剂：它被报道为氨氧化菌（AOB）的竞争性抑制剂（Schatteman等人，2022年）和亚硝酸盐氧化菌（NOB）的有效抑制剂（Zekker等人，2012年），有助于抑制竞争菌种并平衡部分亚硝酸盐氧化途径。

尽管肼的生化影响已有充分记录，但其对颗粒污泥物理性质（特别是粒径和结构稳定性）的影响仍较为复杂且尚未完全理解。粒径是稳定运行PN/A工艺的关键参数（Guo等人，2025年）；保持适当的粒径分布（PSD）对于高效富集厌氧氨氧化菌和维持多样的功能群体至关重要（Mozumder等人，2014年）。最佳粒径有助于厌氧氨氧化菌与异养反硝化菌之间的协同作用，即“亚硝酸盐循环”（Cao等人，2017年），不仅提高了总氮去除率（Kang等人，2023年），还减少了N₂O的排放（Wan等人，2019年；Wan等人，2021年）。然而，现有文献关于肼对颗粒形态影响的研究结果存在矛盾。一些研究表明，添加肼会导致粒径减小甚至污泥解体（Sui等人，2020年）；相反，其他最新研究则表明外加肼可以增强生物膜结构并提高稳定性（Yuan等人，2024年）。

为了解决这些挑战，本研究调查了肼对颗粒PN/A系统的长期影响。研究重点关注粒径分布（PSD）的变化、胞外聚合物（EPS）组成的变化以及不同粒径组分相关的特定微生物活性。通过分析不同粒径下微生物群落结构的变化，本研究旨在揭示肼驱动的颗粒形成和系统稳定性的机制。这些发现为PN/A系统中尺寸依赖性的代谢变化提供了新的见解，为厌氧氨氧化工程的工程调控提供了理论支持和实际指导。

反应器设置与操作

两个有效体积为5 L的一步式PN/A气泡柱反应器（详见补充材料）接种了来自厌氧消化上清液处理的厌氧氨氧化颗粒污泥。反应器中加入了含有以下成分的合成废水（单位：mg L^?1，除非另有说明）：MgSO₄ 150、CaCl₂ 230、KH₂PO₄ 25、NaHCO₃ 1050，以及各1%的微量元素溶液I和II。

肼的添加提升了反应器性能和厌氧氨氧化活性

在实验阶段I（第1-40天），未添加肼的情况下，两个反应器都显示出较高的亚硝酸盐积累（图1a和b），表明厌氧氨氧化活性限制了总氮（TN）的去除。R2的恢复情况更好；到第40天，其氮去除率（NRR）达到0.31 kg N m^?3 d^?1，出水中的氨和亚硝酸盐浓度分别降至27 mg N L^?1和17 mg N L^?1。相比之下，R1的氮去除率仅为0.18 kg N m^?3 d^?1，且出水中的氨浓度升高至173 mg N L^?1和亚硝酸盐浓度也较高。

结论

本研究表明，低剂量肼（5 mg N₂H₄ L^?1）是一种有效的代谢和结构调节剂，能够加速一步式PN/A系统的颗粒形成和功能恢复。除了简单的代谢刺激外，肼还通过促进富含蛋白质的EPS分泌，产生了一种独特的“选择压力”，有助于消除不稳定的絮体并推动系统向更大、更稳定的颗粒形态转变。本研究证实了肼在催化和结构方面的作用。

作者贡献声明

Xinyu Wan：撰写、审稿与编辑、资料整理、概念构思。 Yasong Chen：监督。 Shilong Liu：实验研究。 Wan Sun：监督。 Wanlin Lv：数据分析。 Zhicheng Zhao：数据分析。 Fangyuan Jing：数据分析。 Weiwei Cai：撰写、审稿与资料整理。

利益冲突声明

作者声明以下可能被视为潜在利益冲突的财务利益/个人关系：Weiwei Cai表示获得了中国国家重点研发计划的财政支持；Xinyu Wan表示获得了湖北省自然科学基金的财政支持。如果还有其他作者，他们声明没有已知的可能影响本研究工作的财务利益或个人关系。

致谢

本研究得到了以下项目的支持：中国国家重点研发计划（项目编号：2023YFC3207700和2023YFC3207701-02）、中国国家自然科学基金（项目编号：52470024）、湖北省自然科学基金（项目编号：2024AFB520）、中国三峡集团长江生态环境工程研究中心的研究项目（项目编号：NBWL202300013-1）。