文章来源：《工业水处理》2024年第10期
第一作者：周月明
通讯作者：申渝
作者单位：重庆工商大学
合作单位：重庆南向泰斯环保技术研究院有限公司，重庆工商大学环境与资源学院
论文DOI：10.19965/j.cnki.iwt.2023-0883
论文引用：周月明，刘意，刘丽，等：HN-AD菌群特性及其在水产养殖废水处理中的应用[J]. 工业水处理，2024，44（10）：1-17.
我国水产养殖业正朝着高密度、集约化的方向发展，而养殖水体中NH4+-N、NO2--N、NO3--N 的积累问题严重影响了水资源循环效率及水产品品质。异养硝化-好氧反硝化（HN-AD）菌群可以在较高溶解氧条件下去除养殖水体中的氮素，是净化养殖水质的关键核心。
稳定的水质条件是养殖生物赖以生存的基础。在长期养殖过程中，养殖水体中残余饲料和水产动物粪便不断积累，产生大量的NH4+-N（>1 mg/L），而一系列的消毒措施会使养殖水中脱氮微生物菌群数量减少，从而进一步导致 NH4+-N和NO2--N积累，影响水产动物的健康和工厂化循环水养殖的效率。因此，氮素超标是工厂化循环水养殖需要解决的关键技术难题。笔者简述了具有 HN-AD 功能的微生物菌群研究现状，以及其在处理复杂水质养殖废水中的应用，以期为 HN-AD 助力水产养殖高密度、集约化、可持续的发展提供参考。
（1）简述了具有HN-AD功能的微生物群落。
在传统的池塘养殖模式中，HN-AD菌在门水平上集中在 Proteobacteria、Actinobacteria。随着水产养殖模式的进一步发展，微生物群落也更加丰富，逐渐在Bacteroidetes、Firmicutes中也发现HN-AD菌。各养殖模式中，Proteobacteria是主要的优势菌门，在脱氮过程中占据主导地位，且以 Betaproteobacteria 和 Gammaproteobacteria菌纲为主。其次的优势门是Bacteroidetes，其具有丰富的异养菌群，可以有效降解有机物，主要参与硝化反应过程，且在各养殖模式中，Flavobacteriia均是Bacteroidetes菌门的优势菌纲，具有脱氮、除磷的能力，其也是活性污泥处理系统中的优势菌纲。此外，Firmicutes 菌门可以通过孢子来抵抗极端环境，也可以进行HN-AD过程。
（2）阐述了HN-AD微生物群落的拓展功能。
在处理高盐水产养殖废水方面，大多数具有耐盐特性的HN-AD菌来源于海洋、活性污泥和盐场等，其耐盐性能和脱氮性能均有所不同，且此领域多数研究目前集中在耐盐HN-AD菌的分离，而充分探索盐水条件下富集功能性HN-AD菌并实现稳定 HN-AD的方法是水处理工艺提高脱氮效率的关键。
在处理含农药的水产养殖废水方面，研究者们相继发现一些HN-AD菌能够聚磷和除 磷，主要有Acinetobacter、 Pseudomonas 和 Enterobacter等，未来可通过进一步筛选和培养高效的 HN-AD 菌或者将其与其他工艺耦合以提高对有机磷的去除率，使其在含农药的水产养殖废水处理中得到进一步推广。
抗生素水产养殖废水的处理已经引起研究者的关注，但对于抗生素的处理目前只停留在实验室小规模生物反应器上，如 MBBR、SBR 等，且尽管使用 HN-AD 技术和生物反应器联用去除残留的抗生素效果显著，然而抗生素的存在改变了水处理系统中微生物群落结构，同时微生物的抗药性增强，导致相关鱼类和人类疾病风险提高。
研究者们发现部分 HN-AD 菌具有耐重金属和脱氮的双重性能，在处理含有重金属的水产养殖废水时表现出巨大的潜力。HN-AD 菌经过了长期的环境选择压力，细胞和代谢功能都产生了相应的耐受能力以抵抗这些重金属离子的冲击和毒害，细胞代谢流程应对不同重金属的机制各不相同。因为不同的养殖废水中可能含有不同种类和浓度的重金属，实际应用时应针对不同的废水特性，选择高效的 HN-AD 菌，同时调整反应器参数以提高对重金属离子的去除效率。此外，为了更好地控制这个过程，探究重金属离子在水产养殖废水中的迁移转化机制至关重要。
（3）总结了调控 HN-AD 过程的环境因子。
在水产养殖过程中，复杂的多重水处理工艺营造了复杂的水环境条件。而环境因子可以通过调节微生物群落的代谢能力来增强微生物脱氮能力。因此可通过改变DO、碳源、C/N、温度和pH等实现对HN-AD过程的精准调控，提高脱氮效率。
未来，可在以下方面对采用该技术处理水产养殖废水进行进一步研究：
（1）提高NH4+-N去除效率。水产养殖废水NH4+-N较高，研究人员可以通过优化菌群组成、调整操作参数和改进反应器设计等方式，进一步提高NH4+-N去除效率。
（2）联合其他处理技术。HN-AD 技术可以与生物膜反应器、人工湿地等技术相结合，形成更为高效的废水处理系统，以达到更好的废水净化效果。
（3）能量自给自足。目前的 HN-AD 技术在处理 废水过程中需要消耗大量能源，未来的发展趋势是利用新型的能源回收技术，如利用甲烷氧化反应产生的能量来供应反硝化过程，减少系统对外部能源的依赖，提高可持续性。
（4）进一步减少碳排放。随着碳减排的重要性日益突出，未来的发展趋势将着重于降低 HN-AD 技术的碳排放。对此可以通过改进系统设计，采用更高效的气体分离和回收技术来实现，也可以采用替代碳源，例如使用可再生能源或废弃物产生的有机物来替代传统的有机碳源。
综上所述，未来HN-AD技术将朝着更高效、可持续性和低碳排放的方向发展，从而推动水产养殖业向着高密度、集约化、可持续的方向不断进步。
第一作者：周月明，助理研究员，主要从事水质净化技术、碳减排技术、环境中的人工智能等领域的研究。E-mail：zhouyueming@ctbu.edu.cn。
通讯作者：申渝，博士，研究员，重庆工商大学特聘岗位教授，巴渝学者特聘教授，重庆市英才创新创业领军人才，重庆市学术技术带头人。主要研究领域：城市水系统人工智能技术、环境大数据分析、工厂化养殖智能技术等。主持承担了国家自然科学基金、科技部（重点研发计划、水专项）、重庆市高校创新群体、重庆市科技局/教委重点重大课题等重要科研任务22项，在Water Research、IEEE Internet of Things Journal、Artificial Intelligence in Agriculture等期刊发表研究论文180余篇，获得授权专利/软件著作60余件，获得中国科技产业化促进会科技创新一等奖（排1）、中国发明协会发明创新二等奖（排1）、重庆市自然科学三等奖（排2），出版中英文专著6部。E-mail：shenyu@ctbu.edu.cn。
（来源：《工业水处理》2024年第10期）
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