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第一作者：李倍莹
通讯作者：马 斌
通讯单位：海南大学
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海南大学马斌研究员团队在Nature Communications上发表了题为“Strategy to mitigate substrate inhibition in wastewater treatment systems”的研究论文（DOI：10.1038/s41467-024-52364-9）。该研究提出通过设置非致死性高底物环境来增强细菌群落耐受性，以解决废水处理中微生物底物抑制导致废水排放不稳定的问题，并以亚硝酸盐对厌氧氨氧化过程（Anaerobic ammonia oxidation, Anammox）的抑制为例，探讨并成功验证了该方法的可行性。这一策略不仅有助于厌氧氨氧化系统稳定运行，还为实现生物废水处理过程的稳定达标提供了潜在方法。![]()
城市化进程加速使水环境面临污染，需更高效稳定的废水处理实现碳减排的目标。微生物过程在废水处理中至关重要，但底物浓度过高会抑制微生物活性，阻碍底物的转化，影响废水处理系统的稳定运行。现有的应对策略多围绕降低底物浓度和调整操作条件，反而使微生物群落更容易受到抑制性底物的影响。而且在实际的废水处理中，底物波动是一个无法回避的全球性挑战，其受到工业生产排放的不稳定性、季节变化导致的水质水量波动以及人口动态变化等多种复杂因素的综合影响。实地调查研究也表明，高底物浓度在废水处理过程中频繁出现，难以从根本上杜绝，这使得现有的应对策略在实际应用中存在局限性。为此，本研究提出了一个可行的解决方案，即通过创建非致命的高底物抑制环境，提高微生物群落的耐受性来实现污水处理系统的抗脆弱性，并且以亚硝酸盐对厌氧氨氧化菌群的抑制作用为例进行了验证。实验装置示意图
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Figure 1. Device details of two UASB reactors.UASB1 was the control reactor, UASB2 was equipped with a sidestream unit separately.本研究选取厌氧氨氧化系统作为研究对象，构建了一套包含侧流亚硝酸盐处理单元的实验装置。具体而言，设置了两个UASB反应器。UASB1为对照组，UASB2连接着一个侧流亚硝酸盐处理单元。在处理阶段，将UASB2反应器中的部分厌氧氨氧化污泥（十分之一）输送至侧流高亚硝酸盐浓度单元，为污泥创造了一个非致死性的高底物环境。经过一段时间的暴露处理后，再将处理后的污泥回输至UASB2主反应器中。每个处理阶段为期十天，UASB2共进行了三个处理阶段。通过对比两个反应器的实验结果，深入探究非致死性高底物环境对厌氧氨氧化细菌群落耐受性的影响。亚硝酸盐处理提高了Anammox菌群的耐受性
暴露于非致死性的高亚硝酸盐环境增强了厌氧氨氧化菌群的耐受性。在亚硝酸盐浓度为40 mg/L时，UASB1（对照组）中的厌氧氨氧化菌群的比厌氧氨氧化活性（SAA）下降了80.81%（Fig. 2a）；UASB2中的厌氧氨氧化菌群的SAA比对照组高24.71倍，亚硝酸盐去除率高20.15倍（Fig. 2b）。![]()
Figure 2. The nitrite tolerance of anammox bacterial community was explored by detecting the nitrite removal rate and SAA in different nitrite levels. (a) was UASB1 reactor and (b) was UASB2 reactor.
亚硝酸盐处理提高了Anammox系统的抗冲击性
配备高亚硝酸盐测流单元的厌氧氨氧化系统的抗冲击性增强。在亚硝酸盐冲击测试（进水亚硝酸盐浓度从80 mg/L突增至200 mg/L）中，UASB2的氮去除速率（NRR）下降幅度仅为UASB1的一半（Fig. 3b），总氮（TN）去除效率下降幅度更小，表明其抗冲击性是UASB1的两倍。![]()
Figure 3. The nitrogen removal performance of effluent nitrite concentrations, NRR and TN removal efficiency under nitrite shock. (a) was UASB1 reactor and (b) was UASB2 reactor
亚硝酸盐处理增强了Anammox系统的反脆弱性
侧流单元运行期间，UASB2反应器的氮去除性能虽有波动，但后续亚硝酸盐暴露操作影响逐渐减小。在第三次操作中，尽管侧流单元亚硝酸盐浓度大幅提高（从30 mg/L提高到100 mg/L），UASB2的NRR显著提高了33.3%（Fig. 4b），TN去除效率保持在88.5%（Fig. 4c），厌氧氨氧化系统不仅能承受亚硝酸盐压力，还表现出反脆弱性。![]()
Figure 4. Reactor performances of the UASB2 reactor: (a) influent TN concentrations and NLR; (b) effluent TN concentrations, nitrite exposure concentrations and NRR; (c) effluent nitrite concentrations, FNA and TN removal efficiency.
高亚硝酸盐环境改变了微生物多样性
经过高亚硝酸盐处理后，微生物的微生物多样性适度调整。与UASB1相比，UASB2中微生物α多样性略有下降，具体表现为物种丰富度和均匀度降低。在群落组装过程中，异质选择占据了主导地位（Fig. 5c），亚硝酸盐浓度可能是驱动这一变化的关键因素。这一变化表明微生物群落为了适应高亚硝酸盐环境，发生了相应的调整。![]()
Figure 5. Characteristics of population diversity. (a) Species richness expressed via Ace and Chao estimator; (b) Species evenness expressed via the Shannon and Simpson indices; (c) The summary of assembly processes.高亚硝酸盐环境改变了微生物的群落结构
经过高亚硝酸盐处理后，微生物的菌群结构发生了显著改变。其中，UASB2中浮霉菌门、绿弯菌门和拟杆菌门的丰度有所增加，而变形菌门的丰度则显著下降（Fig. 6a）。在厌氧氨氧化菌属这一关键菌群中，优势菌属发生了明显的转变，Candidatus Jettenia取代Candidatus Kuenenia成为了优势菌属（Fig. 6b）。
此外，Denitratisoma和 norank_c__SJA-28等属的丰度变化也十分显著，这些菌属与反硝化反应密切相关。其中，norank_c__SJA-28在高亚硝酸盐浓度下丰度增加，可能归因于其编码的特定酶使其具备了更好的适应能力。
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Figure 6. The structure of microbial communities. (a) Hierarchical clustering tree and distribution of the bacterial community on phylum level. (b) Analysis of bacterial community abundance at the genus level.
高亚硝酸盐环境改变了群落对功能基因的贡献
经过高亚硝酸盐处理后，微生物群落对功能基因的贡献发生了变化。UASB1中Candidatus Kuenenia对厌氧氨氧化过程中的关键功能基因（如编码肼合成酶（HZS）、肼脱氢酶（HDH）和羟胺氧化还原酶（HAO）等基因）贡献突出；经过亚硝酸盐处理后，Candidatus Jettenia对这些功能基因的贡献显著增加，成为主导厌氧氨氧化过程的菌属，这一转变与群落结构变化一致，从功能基因层面进一步证实了微生物群落对高底物环境的适应性变化。![]()
Figure 7. The contribution of anammox bacterial community to key functional genes, the left side was untreated with nitrite, the right side was treated with nitrite.
本研究提出的非致死性高底物环境策略，有效增强了厌氧氨氧化菌群对亚硝酸盐的耐受性，提高了系统的抗冲击能力和抗脆弱性。通过改变微生物群落结构和功能基因贡献，使系统能更好适应底物波动。该策略不仅适用于厌氧氨氧化系统应对亚硝酸盐抑制，还为微生物应对其他底物抑制提供了新思路，是一种具有潜力的提高废水处理系统稳定性的方法，有助于推动废水处理技术发展，实现更高效、稳定的污染物去除，为应对城市化进程中的水环境挑战提供了坚实的技术支撑。![]()
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第一作者：李倍莹，海南大学博士研究生。以第一作者发表SCI论文两篇，其中以唯一第一作者在Nature Communications发表研究论文一篇；以第二作者身份发表论文两篇；荣获研究生国家奖学金、多次获一等学业奖学金；主持海南省研究生创新科研课题两项（均已结题）；荣获海南省环境科学学会“优秀学术报告”称号；荣获海南大学优秀硕士学位论文；荣获海南大学首届研究生科技节“科创之星”——“学术之星”称号，其论文入选科技节论文摘要汇编。
通讯作者：马斌，海南大学环境科学与工程学院研究员，博士生导师。连续5年入选全球前2%顶尖科学家榜单、海南省南海名家（青年项目）、海南大学C类高层次人才；以唯一第一作者或唯一通讯作者在Nature Communications, Environmental Science & Technology等中科院一区SCI期刊发表论文21篇，ESI全球前1%高被引论文2篇，个人H指数34；以第一发明人获授权国家发明专利12项；主持国家自然科学基金、海南省重点研发计划等科研项目21项。
参考文献：Li, B., Liu, C., Bai, J., Huang, Y., Su, R., Wei, Y., & Ma, B. (2024). Strategy to mitigate substrate inhibition in wastewater treatment systems. Nature Communications, 15 (1), 7920.
文章链接：https://doi.org/10.1038/s41467-024-52364-9
