游离亚硝酸盐胁迫对部分硝化作用、部分反硝化作用以及细菌群落功能演替的影响（在pH值变化的作用下）

《Bioresource Technology》：Effects of free nitrous acid stress on partial nitrification and partial denitrification and functional succession of bacteria under the influence of pH

　　

Xintao Lv|Shujun Zhang|Yongzhi Chen|Yan Lu|Jie Luo|Yonghui Zhang|Hong Liu

兰州交通大学环境与市政工程学院，中国兰州730070

摘要

游离亚硝酸（FNA）选择性抑制亚硝酸盐氧化细菌（NOB），因此被广泛用于实现稳定的部分硝化（PN）以去除铵氧化反硝化（anammox）氮。然而，FNA应激对PN和部分反硝化（PD）以及厌氧系统中微生物群落结构的影响机制在pH响应下的机制仍不清楚。本研究系统地研究了不同pH值（5.0、5.5、6.0和6.5）下FNA处理对氮转化和微生物响应的抑制作用。在pH<6.0时，特定的氨氧化速率（SAOR）和特定的亚硝酸盐氧化速率（SNOR）分别降低了87.8%-91.3%和98.9%。在pH 6.0时，PN性能最佳，其特征是NOB恢复延迟，氨氧化细菌（AOB）与NOB的相对丰度比达到峰值10.4。当SAOR/SNOR比率超过2时，亚硝酸盐积累比率（NAR）始终高于70%，表明该比率是PN性能的可靠指标。值得注意的是，通过PD进一步增强了NAR，在pH 6.0时硝酸盐与亚硝酸盐的转化比达到峰值61.1%。16S rRNA基因测序结果显示AOB的丰度降低，而NOB显著减少，Nitrospira的丰度从1.5%降至0.0–0.1%。相反，类似PD的功能细菌的丰度显著增加，包括Citrobacter、Thauera、Comamonadaceae和Acinetobacter（从0.0%增加到1.4–4.2%）。总体而言，本研究表明FNA处理通过PN和PD的共同作用促进了亚硝酸盐的积累，为优化基于FNA的氮去除过程提供了指导。

引言

高效 Nitrogen 去除是控制水污染的关键全球挑战（Zhang等人，2025a），因此，开发更高效和更具成本效益的生物氮去除过程至关重要（Zhang等人，2025b）。目前，厌氧氨氧化（anammox）过程被广泛认为是污水处理中最有前景和经济有效的氮去除技术之一（Lyu等人，2024）。与传统异养反硝化相比，通过部分硝化-厌氧氨氧化（PNA）的自养反硝化可以显著提高氮去除效率，同时降低能耗和二次污染（Yang等人，2021）。

部分硝化（PN）是实现市政污水处理厂主流PNA的前提条件（Laureni等人，2016）。然而，实现稳定的PN是一个重大挑战。同时，将部分反硝化（PD）与anammox结合用于去除低碳氮比（C/N）废水已成为重要的研究焦点（Yue等人，2025）。与需要严格控制AOB–NOB竞争的PN相比，PD更容易实现。尽管如此，基于PN和PD的anammox系统最终都依赖于稳定的NO??–N积累，这突显了有效调控亚硝酸盐导向过程的重要性。

先前的研究使用各种控制策略实现了PN（Ma等人，2023），包括低溶解氧（DO）（Chi等人，2021）、实时控制（Yang等人，2007）、间歇曝气（Miao等人，2016）和短污泥停留时间（SRT）（Wang等人，2021）。然而，这些方法需要高精度的操作控制，并且通常与较长的启动期和有限的过程稳定性相关（Duan等人，2019）。另外，还通过抑制性干预实现了PN，例如硫化物（Delgado Vela等人，2018）、光照（Zheng等人，2024）、游离氨（FA）（An等人，2021）、羟胺（Zhao等人，2021）、肼（Yuan等人，2024）、低温（Dong等人，2026）。然而，这些方法通常需要频繁的操作干预，并且难以在氨氮浓度低的废水中保持长期稳定性。游离亚硝酸（FNA）被认为是一种高效的杀菌剂，对NOB具有显著的抑制作用（Hausherr等人，2022）。在有氧条件下，0.42–1.72 mg HNO?-N/L的FNA浓度使AOB活性降低了50%，而在更低的FNA浓度（0.026–0.22 mg HNO?-N/L）下完全抑制了NOB（Anthonisen等人，1976；Vadivelu等人，2006）。此外，为了实现快速且经济的PN，研究人员提出了一种使用厌氧FNA处理旁路污泥的方法（Wang等人，2014）。据报道，在厌氧条件下，0.77 mg HNO?-N/L的FNA浓度可完全抑制NOB（Wang等人，2019）。经过活性污泥的侧向厌氧FNA处理后，系统内的亚硝酸盐积累比率（NAR）在15天内达到了85%（Wang等人，2014）。同时，先前的研究表明，PD诱导的NO??–N积累可受多种因素影响，如碳源类型、C/N比、高pH值和肼的抑制（Zhang等人，2020b）。

先前的研究表明，pH值强烈影响FNA的浓度，随着pH值的降低，FNA浓度迅速增加（Yuan等人，2015）。然而，现有研究主要集中在厌氧FNA处理对不同污泥浓度下NOB活性的影响（Wang等人，2019）。迄今为止，厌氧FNA应激对不同pH条件下PN、PD和微生物群落结构的影响仍大部分未得到探索。如果可以在相同的处理条件下同时实现PN和PD，不仅将促进高效的氮去除，还为在市政污水处理中结合PN或PD与anammox提供实际指导。因此，确定一种最佳的pH值，在该pH值下厌氧FNA处理可以有效抑制NOB并实现稳定的PN或PD是必要的。为此，本研究并行构建了五个密封锥形烧瓶反应器（抑制测试）和五个序批反应器（SBRs）（曝气测试），以研究不同pH条件下厌氧FNA处理对硝化细菌（即AOB和NOB）和反硝化细菌的活性和群落结构的影响。此外，还通过实验数据分析和微生物群落分析探讨了其潜在机制，旨在阐明厌氧FNA在pH响应条件下调节PN和PD的机制，以实现亚硝酸盐积累的快速启动。

部分内容

实验设置、废水和污泥特性

使用了两种实验系统：一个密封锥形烧瓶反应器（图1a）和一个SBR（图1b），每个的有效工作体积为1.8 L。密封锥形烧瓶使用磁力搅拌器以150–200 rpm的速度混合。SBR配备了内置曝气器，并连接到空气泵（HAILEA HAP-60，中国）以提供曝气。

在本研究中，抑制测试和曝气测试期间均使用真实的市政废水。

抑制测试期间污泥指标的变化

图2展示了抑制实验期间不同pH条件下NH??-N、NO??-N、FA和FNA浓度的动态变化。在厌氧抑制阶段，污泥的神经营化导致NH??-N释放到系统中。在pH 5.0、5.5、6.0和6.5时，NH??-N浓度逐渐增加，在48小时内分别达到43.3、44.1、45.3和46.1 mg/L，相当于 net 增加了13.2、13.5、14.5和15.9 mg/L（图2a）。

结论

在pH 6.0时实现了最佳的PN，表现为NOB恢复延迟和AOB与NOB的相对丰度比达到峰值10.4。值得注意的是，在pH 6.0时，硝酸盐与亚硝酸盐的转化比达到61.1%，进一步通过PD增强了亚硝酸盐的积累。一致的是，在厌氧FNA处理后，与PD相关的细菌在门和属水平上的相对丰度均增加。总体而言，这些结果证实了厌氧FNA处理能够有效地实现PN和PD。

CRediT 作者贡献声明

Xintao Lv：撰写 – 原始草稿、调查、数据分析、概念化。Shujun Zhang：监督、项目管理。Yongzhi Chen：撰写 – 审核与编辑、监督、项目管理。Yan Lu：调查、数据分析。Jie Luo：调查、数据分析。Yonghui Zhang：调查。Hong Liu：调查。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能会影响本文所述工作的竞争财务利益或个人关系。