盐度驱动亚硝酸跨膜内运协同抑制亚硝酸盐氧化菌：污水亚硝酸盐回收的新机制

《npj Clean Water》：Salinity propels inward HNO2 transport to robustly suppress nitrite oxidizers with implications for nitrite recovery

本研究针对主流污水脱氮过程中氮资源浪费与能耗高的难题，探讨了盐度与游离亚硝酸（FNA）协同抑制亚硝酸盐氧化菌（NOB）的分子机制。通过构建四组膜生物反应器（MBR），研究发现3.3 g/L盐度与>0.06 mg N/L FNA可协同破坏NOB的细胞膜完整性，促进FNA及质子内流，诱导活性氧（ROS）积累，从而稳定实现短程硝化（PN）。该策略为低碳型污水氮资源回收（如亚硝酸盐提取）提供了理论依据与技术支撑。

　　

随着全球城市化进程加速，污水氮污染控制与资源回收已成为环境领域的研究热点。传统硝化-反硝化工艺虽能有效去除污水中的铵盐（NH₄⁺），但将其转化为无价值的氮气（N₂），不仅浪费了本可回收的氮资源，还消耗大量能量。据统计，全球每年通过污水排放的氮量高达2000万吨，相当于哈伯-博世法合成氨产量的19%。更严峻的是，传统工艺脱氮能耗达17.2 kWh/kg N，比哈伯-博世法（12.1 kWh/kg N）高出42.1%。在这一背景下，如何实现污水氮资源的高效回收成为亟待突破的瓶颈。

为破解这一难题，研究者提出将主流污水中的NH₄⁺通过离子交换浓缩至侧流，再通过短程硝化（Partial Nitritation, PN）将其转化为亚硝酸盐（NO₂^?）进行回收。该策略不仅能将侧流亚硝酸盐浓度提升至3000 mg N/L，还可节省25%的曝气能耗。然而，PN的稳定性高度依赖于对亚硝酸盐氧化菌（Nitrite-Oxidizing Bacteria, NOB）的有效抑制。尽管高盐度（>3.9 g/L）或游离亚硝酸（Free Nitrous Acid, FNA）单独作用可抑制NOB，但NOB易产生适应性恢复，导致PN失败。因此，揭示盐度与FNA的协同抑制机制，成为推动氮回收技术落地的关键。

发表于《npj Clean Water》的一项研究，通过多组膜生物反应器实验与分子生物学手段，系统阐明了盐度如何促进FNA跨膜运输，进而协同抑制NOB的机制。研究不仅验证了协同抑制的稳定性，还发现了氨氧化菌（Ammonia-Oxidizing Bacteria, AOB）通过构建“亚硝酸盐—一氧化氮—亚硝酸盐”代谢循环以抵抗胁迫的适应性策略，为污水氮资源回收提供了新视角。

关键技术方法

研究通过四组膜生物反应器（MBR）对比不同胁迫条件（盐度、FNA、两者协同）对PN的影响，采用活性测定（如SAUR、SNOR）、酶活分析（AMO、Nir、PPK）及高通量测序解析微生物群落演化，并通过批次实验验证FNA与质子的跨膜运输行为。污泥样本来源于上海某污水处理厂，实验过程中控制pH为6.0–6.5，溶解氧（DO）为2–3 mg/L。

盐度与FNA协同实现稳定短程硝化

在65天的运行中，仅含FNA（MBR_FNA）或仅含盐度（MBR_salinity）的反应器均未能维持长期PN，NOB在适应后活性恢复。而盐度（3.3 g/L）与FNA（>0.06 mg N/L）共存的MBR_both在第11天即实现亚硝酸盐积累率（NAR）持续高于90%，且NOB活性被完全抑制且未复活。

微生物活性与群落对协同胁迫的响应

盐度与FNA的协同作用显著提升了AOB的氨单加氧酶（AMO）活性与硝化速率，同时导致污泥中微生物总量下降62.9%。高通量测序显示，AOB优势菌属由Ellin6067转变为耐盐的Nitrosomonas（相对丰度达7.8%），而NOB（如Nitrospira）被完全淘汰。反硝化菌（如Truepera、Xanthobacteraceae）在FNA胁迫下丰度升至47.2%，但其实际脱氮贡献有限，暗示其可能参与碳源循环。

盐度促进FNA与质子跨膜运输的机制

批次实验表明，在接近等渗点（3.3 g/L）的盐度下，FNA与质子（H⁺）的跨膜内流显著增强。FNA内流提升胞内酸性环境，促进其分解为活性氧（ROS）与活性氮（RNS）；H⁺内流则进一步加剧胞内酸中毒与膜损伤。电子顺磁共振（EPR）证实ROS仅存在于胞内，且MBR_both的ROS水平最高（1952.9 ng/g VSS）。

AOB的自我保护机制

面对协同胁迫，Nitrosomonas通过高表达亚硝酸还原酶（Nir）将NO₂^?还原为一氧化氮（NO），再通过氧化作用将NO重新转化为NO₂^?，形成代谢循环以解毒。同时，多磷酸激酶（PPK）活性提升134.5%，支持能量依赖的质子外排系统，维持胞内pH稳态。

结论与意义

本研究揭示了盐度通过促进FNA与质子内流协同抑制NOB的分子机制，并阐明了AOB通过代谢循环与能量调控抵抗胁迫的适应性策略。该成果为基于短程硝化的污水氮资源回收（如CAIRM-Nitrite工艺）提供了理论支撑，其技术经济性分析显示，该工艺可降低温室气体排放41.0%，运营成本减少64.7%。此外，盐度-FNA协同抑制策略有望推广至高氨氮废水（如渗滤液、畜禽废水）处理，推动污水处理向低碳化、资源化转型。