磁性生物膜载体驱动稳定短程硝化：选择性富集氨氧化细菌(AOB)的机制与应用

为解决传统生物膜载体难以选择性富集氨氧化细菌(AOB)导致短程硝化(PN)不稳定的问题，研究人员通过磁性改性聚氨酯(MF)载体定向调控微生物群落，实现90%亚硝酸盐(NO2--N)积累率，为低能耗污水处理提供新策略。

　　

在追求可持续污水处理的浪潮中，如何降低能耗与污泥产量成为核心挑战。传统硝化-反硝化工艺虽成熟却代价高昂，而短程硝化(PN)耦合厌氧氨氧化(Anammox, PN/A)技术可减少60%能耗与90%污泥量，成为行业新宠。然而，PN的稳定性却受制于硝化细菌(NOB)的“搅局”——它们与氨氧化细菌(AOB)争夺氧气，常导致亚硝酸盐(NO₂^--N)无法有效积累。更棘手的是，主流污水处理中低基质条件反而助长NOB繁殖，使得传统载体如聚氨酯(PU)难以维持AOB优势。此时，一项来自中国研究团队的创新成果登上《Biochemical Engineering Journal》：他们利用磁性改性聚氨酯(MF)载体，像“磁铁吸铁屑”般精准富集AOB，破解了PN工艺的稳定性难题。

研究团队通过表面粗糙度调控、磁性生物效应利用及胞外聚合物(EPS)分泌诱导三大技术手段，结合城市污水样本的连续流实验，系统评估了MF载体的性能。微生物群落分析采用高通量测序，功能预测则通过PICRUSt算法完成。

Carriers production and characterization
研究以铷铁硼磁粉改性PU载体，扫描电镜显示其表面形成微纳结构，比表面积较PU提升3倍，为微生物附着创造“立体停车场”。

Magnetic carrier enhances nitrite accumulation
MF系统在120天运行中实现85%氮去除率(NRR)和90%亚硝酸盐积累率(NAR)，远超对照组。磁性场不仅促进生物膜连续增厚，还通过调控EPS中蛋白质/多糖比例，增强AOB在动态负荷下的抗逆性。

Microbial community dynamics
高通量测序揭示MF载体表面Nitrosomonas(AOB代表菌属)丰度提升10%，而NOB相关菌如Nitrospira被显著抑制。功能预测表明MF载体激活了细菌群体感应与铁代谢通路，形成“磁性筛网”效应。

这项研究开创性地将物理场调控引入污水生物处理领域。MF载体通过“磁力导航”重塑微生物群落结构，不仅解决PN工艺中NOB失控的行业痛点，更为低浓度污水的主流PN/A应用铺平道路。其揭示的磁性-生物膜互作机制，为环境微生物定向调控提供了普适性范式。正如作者团队所言，这种“以磁控菌”策略有望成为下一代污水处理技术的标准配置。