第一作者：郭恒伯 博士生（阿尔伯塔大学）
通讯作者：刘洋 教授（阿尔伯塔大学、昆士兰科技大学）
影响因子：9.7（2024）
https://doi.org/10.1016/j.biortech.2024.131366
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导读
本研究探讨了两种厌氧氨氧化工艺（R1：单独厌氧氨氧化工艺，R2：部分反硝化/厌氧氨氧化耦合工艺）在经历30天饥饿期后的恢复表现、污泥特性及微生物群落特征。通过比较两个反应器中的氮去除效率和微生物活性，评估了它们对饥饿的耐受性。结果表明，R2的恢复速度明显快于R1，仅一天就恢复至饥饿前的脱氮水平。尽管在饥饿期间两个反应器中的厌氧氨氧化细菌活性（SAA）均呈线性下降，但R1的衰减率（decay rate）比R2高出69.59%，这解释了为什么R2在短时间内能够快速恢复。此外，饥饿期间分泌的胞外聚合物（EPS）的增多帮助微生物减轻了外界环境因素变化带来的冲击。通过扩增子与KEGG数据库的分析，研究揭示了微生物功能基因和代谢通路。该研究为以厌氧氨氧化工艺为基础的生物脱氮技术提供了机制见解和工程指导。
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主要内容
1. 反应器运行性能
反应器运行包括三个阶段，即饥饿前、中、后期。在饥饿前期，两个反应器进水NH4+-N浓度为30 mg/L，NOx--N为40 mg/L的情况下，两个反应器的NH4+-N去除效率均稳定在97%以上。经过30天的饥饿阶段后，在第82天重新向两个反应器引入进水，底物浓度与饥饿前保持一致（图1a, b）。在恢复期的第一天，R2（PD/A）出水中NH4+和NO3−浓度分别为7.56 mg N/L和8.00 mg N/L，第二天NH4+则降至0.33 mg N/L，NO3−降至1.61 mg N/L，去除效率分别达到98.90%和80.10%，实现了氮的快速去除。相比之下，R1（anammox）直到第109天才达到97.54%的NH4+去除效率，接近饥饿前的稳态表现（图1c）。结果显示R1需要27天才能恢复，而R2仅用1天就恢复至饥饿前水平。
图1. 116天实验期内进水和出水NH4+、NO2−和NO3−浓度的变化以及氮去除效率。
2. 饥饿压力对两种基于厌氧氨氧化工艺的活性、反应速率和衰减率的影响
图2a展示了R1（Anammox）和R2（PD/A）反应器中厌氧氨氧化细菌（SAA）和部分反硝化细菌（SPDA）在三个阶段的活性变化。SAA和SPDA整体趋势相似，饥饿阶段（P2、P3、P4）活性下降，经过35天恢复期（P5）后活性回升。两个反应器中的SAA在30天饥饿期内均呈线性下降，线性拟合的R²值均大于0.99。R2中的SPDA在饥饿前20天仅小幅下降，但在P4时下降显著，比P1低31.70%。说明短时间的饥饿条件对于部分反硝化细菌的活性影响较小，而长时间的饥饿会加快部分反硝化细菌活性降低的速率。此外，图2b展示了Anammox和PD的原位（in-situ）反应速率，原位反应速率比异位（ex-situ）测试更能反映反应器内实际的反应速率。通过计算R1和R2中每10天的厌氧氨氧化细菌活性（SAA），确定了在饥饿阶段厌氧氨氧化细菌的衰减率（rd）（图2c）。R1（Anammox）中的rd值为0.0368 d−1，高于R2（PD/A）的0.0217 d−1，表明R2中的衰减率比R1低69.59%，这说明在PD/A系统中，厌氧氨氧化细菌对饥饿冲击的耐受性更大。
图2. a)和b)厌氧氨氧化（蓝色）和部分反硝化（绿色）在R1和R2生物反应器中的原位和异位反应速率比较。c)对时间和SAA的对数（ln SAA）进行线性拟合测定厌氧氨氧化菌的衰减率（rd）。
3. 胞外聚合物（EPS）浓度及成分分析
EPS是由微生物分泌的粘性生物聚合物，主要由多糖和蛋白质组成。这些物质在不利于微生物生存的环境胁迫下提供细胞保护。厌氧氨氧化菌将糖原储存在核糖质中，作为抵抗饥饿压力的一种策略。从饥饿期开始到结束，R1和R2的EPS水平呈现出上升趋势（图3）。在恢复阶段（P5），两个反应器中的EPS水平相对于饥饿阶段（P4）的峰值有所下降，在R1和R2中分别下降了18.75%和6.95%，表明微生物群落的代谢活性和功能恢复正常，无需过多的EPS来形成保护层。
图3. 厌氧氨氧化（R1）和PD/A （R2）反应器污泥中相应PN/ PS比的蛋白质（PN）和多糖（PS）组分。
通过3D EEM分析EPS的成分发现了三个特征光谱（图4），C1为蛋白质类物质（主要为色氨酸），C2和C3被归类为陆源腐殖质类物质。在饥饿的各个阶段，最大荧光强度（Fmax）的顺序为：C1 > C2 > C3。在30天的饥饿期间，R1和R2反应器中C2峰物质逐渐下降。这种减少可能是由于长期的低氮胁迫，促使微生物利用EPS中的能量储存化合物作为营养来源。
图4. a) 两个反应器污泥在饥饿前、中、后的过程中3D-EEM荧光光谱轮廓，所有样品均以紧密结合的胞外聚合物质（TB-EPS）进行评估。b) 通过PARAFAC分析分离的三个成分的荧光激发-发射矩阵（EEM）等高线图。c) 每个荧光成分的激发和发射波长光谱负载。d) 基于PARAFAC分析的每个成分的峰值荧光强度（Fmax）对比。
3.功能基因分析
为了阐明潜在的代谢功能，利用FAPROTAX分析将1474个ASV分类为52个功能群。图5a仅显示了7个氮相关的代表性功能。由于COD浓度和进水底物中氮种类的差异，R1和R2反应器内发生的主要反应明显不同，特别是在“化学异养”、“硝酸盐呼吸”和“厌氧氨氧化”方面。
在恢复期内，KEGG的二级水平通路（图5c）在一级水平通路（图5b）确定的四个类别下显示出更具体的功能。考虑到“代谢”类在R1和R2中均占主导地位（累积相对丰度超过70%），这里只讨论“代谢”类二级水平的差异。其中，“氨基酸代谢”、“辅助因子和维生素代谢”和“碳水化合物代谢”是前三位的功能，且它们在R1中的相对丰度均高于R2，有利于R1在恢复期保持稳定的脱氮效率。而“脂质代谢”、“萜类和多酮类代谢”和“异种生物降解和代谢”的相对丰度的增加有利于厌氧氨氧化菌适应多变的环境。这三种二级代谢途径在R2中比在R1中更高，这也有助于R2在经历30天底物短缺后快速恢复其性能。
图5. a) FAPROTAX分析预测的氮相关功能热图。b) KEGG数据库预测的1级水平功能通路。c) KEGG数据库预测的2级水平功能通路。d) 参与氮循环途径的各基因相对丰度。
4.氮代谢机制分析
在饥饿恢复期后期，R1和R2之间的氮循环和相关功能基因的相对丰度差异显著（图5d）。相比R2（PD/A），R1中nifDKH、vnfDKGH、amoABC、hao和nxrAB基因的相对丰度更高。这些基因与氨氧化过程相关，如amo将氨氧化为羟胺，羟胺是厌氧氨氧化过程的重要中间体。R1中这些基因的较高丰度表明其Anammox相关的氮循环基因在恢复期更为活跃。相反，R2中与反硝化相关的基因（如narGHI、napAB、nirKS、norBC、nosZ）显著高于R1。这表明R2通过部分反硝化与厌氧氨氧化的协同作用，提高了氮去除效率。R1和R2在功能基因层面上的差异凸显了两种反应器不同的运行机制和微生物群落功能。
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总结
部分反硝化与厌氧氨氧化耦合生物脱氮工艺在饥饿条件下增强了厌氧氨氧化细菌的适应性和韧性。在异养型反硝化菌与自养型厌氧氨氧化细菌共存的体系中，即使厌氧氨氧化细菌活性在缺乏底物的情况下下降，其衰减率也比单独厌氧氨氧化系统更低。当底物供应恢复时，PD/A反应器的脱氮表现能在一天内迅速恢复到饥饿前水平。快速恢复可能与异养和自养微生物的共生系统改善了厌氧氨氧化细菌的营养状况有关，这促进了微生物的交叉供养，增强了代谢网络的多样性。微生物群落中的协同作用优化了资源利用，提升了氮去除效率，并在恢复期通过代谢中间体的循环，确保了系统的稳定性和高效的氮去除能力。
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作者简介
第一作者：郭恒伯：澳大利亚昆士兰科技大学WISE水中心访问博士生，加拿大阿尔伯塔大学（University of Alberta）环境工程博士在读（2021级）。硕士毕业于澳大利亚西澳大利亚大学（University of Western Australia）。目前研究方向是基于以厌氧氨氧化（Anammox）为核心的高效低耗生物脱氮技术的研究：开发厌氧氨氧化反应器快速启动策略、开发基于颗粒污泥反应器的高效脱氮过程。研究特色包括深度探究活性炭材料在厌氧氨氧化反应器中的作用和机理，微生物反应器的新型资源回收回用，强化主流污水厌氧氨氧化。近年来在Water Research, Chemical Engineering Journal, Bioresource Technology, Science of the Total Environment发表论文10余篇。
通讯作者：刘洋教授：加拿大皇家科学院青年院士，原加拿大自然科学与工程研究委员会（NSERC）工业研究主席，Future Water Services 加拿大研究主席（1 级）；现任昆士兰科技大学教授，可持续水技术主席，澳大利亚研究委员会（ARC）Future Fellow, the Internet of Things for Water研究中心主任；Journal of Environmental Chemical Engineering，Process Safety and Environmental Protection，ASCE，Journal of Environmental Engineering 等期刊编辑；刘教授的研究主要致力于将微生物生态学与工程生物反应器的开发、优化和应用相结合。尤其关注优化生物废水和废物处理过程、资源回收（碳、氮、磷）以及温室气体减排。研究包括高效厌氧工艺用于生物能源回收（处理生物质和农业废弃物），以及能效较高的好氧/缺氧工艺用于氮和磷的减少与回收。刘教授及其团队广泛开展了选择和富集功能微生物群落的工作，主要针对处理原始废物和废水的混合群落，并通过组学分析提供支持。多年来，刘教授及其团队开发了多项适用于处理市政、农业和工业废物及废水的新技术，其中一些创新技术已在加拿大的大型试点和全规模中成功展示和应用。
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