编辑推荐：
为解决厌氧氨氧化（anammox）工艺在非热带地区因温度敏感面临的挑战，研究人员对絮状污泥基 PDA 系统在渐降和骤降温度下的脱氮性能、微生物动态及功能基因响应展开研究。发现渐冷时系统稳定脱氮，骤冷致 AnAOB 不可逆损伤，为 anammox 技术拓展至非热带地区提供依据。
研究背景与意义
在全球水资源危机与碳中和目标的双重压力下，传统污水脱氮工艺因高能耗、高碳需求的弊端日益凸显。厌氧氨氧化（anaerobic ammonium oxidation, anammox）工艺凭借低耗氧、少产泥、低碳需求的优势，成为可持续污水处理的理想选择。然而，这一技术在非热带地区推广时遭遇 “低温瓶颈”—— 温度波动会打破氨氧化细菌（AOB）与亚硝酸盐氧化细菌（NOB）的平衡，导致亚硝酸盐（NO2-）供应不足，进而引发系统脱氮失效。尽管有研究发现厌氧氨氧化菌（AnAOB）在 10℃以下仍具活性，但主流工艺中低氨（<50 mg/L）与低温（<25℃）的双重挑战，使得如何稳定提供 NO2-成为关键难题。
为突破这一困境，短程反硝化（partial denitrification, PD）作为替代供氮路径进入视野。该路径通过反硝化菌将硝酸盐（NO3-）部分还原为 NO2-，无需选择性抑制 NOB，理论上可在低温下稳定供氮。但现有研究多聚焦生物膜或颗粒污泥系统，针对污水处理厂广泛使用的絮状污泥基短程反硝化 - 厌氧氨氧化耦合系统（PDA）在低温下的表现，仍缺乏系统性研究。
基于此，国内研究团队围绕絮状污泥基 PDA 系统展开攻关，旨在揭示其在低温胁迫下的脱氮性能与微生物机制，为 anammox 技术向非热带地区的推广提供理论支撑。该研究成果发表于《Bioresource Technology》，为寒冷地区污水脱氮的低碳化升级开辟了新路径。
主要研究方法
研究采用实验室规模的序批式反应器（SBR），工作体积 3L，通过机械搅拌（150 rpm）与夹套控温模拟实际工况。接种污泥为絮状活性污泥（约 3.6 g VSS/L），源自稳定运行的 PDA 系统。实验设置两种降温模式：渐降模式（35℃→10℃，模拟自然季节变化）与骤降模式（从稳定运行温度直接降至 10℃，模拟极端天气冲击）。通过监测氮转化路径（NH4+、NO3-、NO2-、总氮 TN）、微生物群落结构（高通量测序）及功能基因丰度（qPCR），分析系统对低温的响应机制。
研究结果
长期运行性能：渐冷下的系统韧性
在近 200 天的渐降温度运行中，PDA 系统展现出显著的低温适应能力。当温度从 35℃逐步降至 10℃时，出水 TN 平均维持在 1.22 mg/L（>20℃时为 0.87 mg/L）。尽管反硝化菌的 NO3-→NO2-转化率随温度下降而降低，但短程反硝化菌的富集与硝酸盐还原、电子传递相关功能基因的上调，确保了 NO2-的稳定供应。然而，AnAOB 的活性随温度下降呈梯度衰减：20℃以上时，2 小时反应后 TN<2 mg/L；15℃时 TN 升至约 19 mg/L；10℃时达 26 mg/L，表明低温对 anammox 反应的抑制作用显著，但 AnAOB 并未完全失活，其丰度虽下降但功能保留。
骤冷冲击：不可逆的系统崩溃
与渐降模式形成鲜明对比，骤冷处理（如从 25℃直接降至 10℃）导致系统迅速失效。AnAOB 因细胞可能破裂而遭受不可逆损伤，引发 NH4+大量积累，出水 TN 飙升且无法恢复。这一结果揭示了自然季节更替与极端气候事件对 PDA 系统的差异化影响 —— 渐进适应可激活微生物的抗逆机制，而 abrupt 冲击则突破系统耐受阈值。
微生物群落动态：功能菌群的消长规律
高通量测序表明，渐冷过程中，短程反硝化菌（如 Thauera、Pseudomonas）的相对丰度显著上升，成为优势菌群，其代谢网络的优化保障了 NO2-的持续供给。相比之下，AnAOB（如 Candidatus Kuenenia）的丰度随温度下降逐渐降低，但通过上调与能量代谢相关的功能基因（如 hzsA/B/C），维持了一定的代谢活性。骤冷组中，AnAOB 的丰度骤降且功能基因表达沉默，印证了细胞结构损伤的不可逆性。
结论与讨论
本研究首次系统揭示了絮状污泥基 PDA 系统在低温胁迫下的双重响应机制：渐冷条件下，短程反硝化路径通过菌群结构调整与功能基因表达重塑，弥补了温度对酶活性的抑制，维持了 NO2-的稳定供给；而 AnAOB 虽活性下降，但通过代谢网络的适应性调节延缓了系统性能衰退。这一发现突破了 “低温必导致 anammox 失效” 的传统认知，证实了 PDA 工艺在非热带地区应用的可行性。
对于工程实践而言，研究结果提示：在气候温和地区，可通过逐步调整运行参数（如延长反应时间）帮助系统适应季节降温；而在易受极端寒潮影响的区域，需额外设置温度缓冲单元，避免骤冷冲击引发 AnAOB 崩溃。此外，絮状污泥的低成本与易操作性，使其在现有污水处理厂的升级改造中具有显著优势，有望推动 anammox 技术从 “高附加值小众场景” 向 “主流工艺” 跨越。
该研究不仅为寒冷地区污水脱氮提供了新的技术方案，更从微生物组学视角深化了对低温胁迫下生物脱氮耦合机制的理解，为开发耐低温功能菌群、优化工艺参数奠定了理论基础，对实现污水处理的低碳化、可持续化具有里程碑式意义。
