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第一作者：吉建涛 教授
https://doi.org/10.1016/j.watres.2024.122680
• 亚硝酸盐积累率（NTR）随着Ac/Pr比值的减小而降低。
• 恢复乙酸盐为唯一碳源后，NTR可恢复到较高的水平。
• 碳源组分的改变影响了PHAs的组成类型。
• PHAs合成和降解途径的变化影响了电子供体的供应。
• 电子的分布和转移速率可能显著影响亚硝酸盐的积累。内源短程反硝化（EPD）为厌氧氨氧化获取关键底物亚硝酸盐提供了一个很有前景的途径，以实现污水处理系统更加经济高效地脱氮性能。然而，关于不同碳源对EPD系统的影响信息有限，其代谢机制尚不清楚。本研究中，在厌氧/缺氧条件下的序批式反应器（SBR）中建立EPD，并运行180天，根据不同的乙酸盐/丙酸盐（Ac/Pr）比例将其分为8个阶段。随着Ac/Pr比值从3：0下降到0：3，亚硝酸盐积累率（NTR）从81.7%下降到0.4%，但恢复乙酸盐为唯一碳源后，NTR可恢复到86.1%（图1）。 图1 长期运行期间：（a）厌氧段进水和出水中NH4+，NO3-，NO2-和COD浓度；（b）NH4+，NO3-，NO2-浓度和NTR的变化。
典型周期分析表明，仅以乙酸盐为碳源时（第58和180天），储存的内碳源PHAs较多，且以PHB（分别为126.8和133.9 mg COD/g VSS）为主，同时NTR可以达到较高水平（分别为87.8%和67.7%）。相反，在丙酸盐为碳源的第158天，储存的PHAs较少，且以PHV（84.8 mg COD/g VSS）为主，几乎没有亚硝酸盐积累（0.2 mg N/L）。综上所述，内碳源多且以PHB为主时可能会有利于实现更多的亚硝酸盐积累。图2 EPD-SBR在典型周期中NH4+，NO3-，NO2-，P043-，COD，Gly，PHAs，PHB和PHV的变化：（a）阶段I（第58天）、（b）阶段VII（第158天）和（c）阶段VIII（第180天）
通过宏基因组测序分析，进一步探究了不同碳源对EPD-SBR种群结构的影响。结果表明，外碳源的改变对系统中微生物群落结构无显著影响，优势种群无明显变化（图3a）。功能基因与微生物菌属之间的关系表明Thauera，Thiothrix和Candidatus Accumulibacter可能是在EPD系统中发挥重要作用的关键功能菌（图3b）。 图3 EPD-SBR运行的第58天（EPD1）、158天（EPD2）和180天（EPD3）的微生物群落分析：（a）前30个属水平的相对丰度；（b）属水平与氮、碳和糖原代谢相关的关键酶的相关性
通过对氮代谢和碳代谢相关功能基因的分析，进一步解析了乙酸盐和丙酸盐对EPD系统代谢途径的影响（图4）。结果表明，尽管碳源发生转变，但（narGHI+napAB）/nirKS比值始终高于3.5，表明该系统具有亚硝积累的潜力（图4b）。但是与乙酸盐相比，丙酸盐作为唯一碳源时，编码NADH产生酶（如mdh）的基因的丰度降低，这可能是导致无亚硝酸盐积累的原因（图4c）。 图4 EPD系统在第58、158和180天的功能基因组成：（a）系统中与氮代谢相关的关键酶之间的共线关系；（b）反硝化代谢途径和关键酶的绝对丰度；（c）TCA循环途径示意图和关键功能基因和酶的绝对丰度。因此，在第Ⅶ阶段（丙酸盐为碳源），有限的NADH可能限制了电子的分布和转移速率，从而降低了硝酸盐的还原速率，导致narGHI和napAB产生的亚硝酸盐立即被nirKS还原。相反，在第I阶段和第VIII阶段（乙酸盐为碳源），厌氧阶段由于存在大量NADH合成酶和PHAs的储存（分别为178.6和183.5mgVSS）。这为后续的缺氧过程提供了大量的NADH，确保电子供应充足，因为 napAB和narGHI的绝对丰度明显高于nirKS，可以驱动硝酸盐迅速还原为亚硝酸盐，而有限的亚硝酸盐还原酶不能迅速将亚硝进一步还原。因此，硝酸盐还原速率大于亚硝酸盐还原速率，导致亚硝酸盐积累量较高（图5）。图5 不同碳源条件下的中心碳代谢和反硝化途径
在本研究中，EPD-SBR运行180天，根据不同的Ac/Pr比将其分为8个阶段。通过长期运行来评估EPD-SBR的性能，结合典型周期和宏基因组学分析来阐明EPD系统对碳源中不同比例的乙酸盐和丙酸盐的响应：主要包括营养物转化、群落结构变化和代谢特征。本研究为EPD技术应对碳源短缺或复杂碳源提供了新的见解和理论支持，有利于EPD-Anammox低碳高效脱氮工艺在城市和硝酸盐废水处理中的推广应用。![]()
吉建涛，博士，郑州大学生态与环境学院教授，博士/硕士研究生导师，中国环境科学学会减污降碳协同治理专业委员会委员、河南省生态环境应急专家库入库专家、郑州大学优秀青年人才创新团队负责人、郑州大学青年人才企业合作创新团队负责人、郑州大学青年骨干教师。研究方向主要为污水低碳高效生物脱氮除磷新工艺与资源化关键技术研发，以及新污染物控制技术研究。主持国家自然科学基金2项、河南省重点研发与推广专项1项、企业横向项目2项，以第一/通讯作者在Water Research（4篇）、Environmental Science & Technology（1篇）、Bioresource Technology等国际知名期刊发表SCI论文14篇（总影响因子为152.5），其中1篇为ESI全球前1%高被引论文；获授权国家发明专利6项、实用新型专利1项，另已受理国家发明专利7项。
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