部分亚硝化-反硝化系统在盐度胁迫下的动态响应：通过额外碳源输入以实现稳定的氮去除性能

《Journal of Environmental Radioactivity》：Dynamic response of partial nitritation–anammox systems to salinity stress with additional carbon input for stable nitrogen removal performance

本研究探究了部分硝化-厌氧氨氧化（PNA）工艺在盐度胁迫下的响应机制，通过添加不同碳源分析其对氮去除途径及微生物群落的影响。实验采用改进型内循环气升式反应器（AIPBR），发现随着碳输入增加，异养反硝化逐渐主导氮去除，但总去除效率仍保持在80%左右。系统监测表明，EPS组分（如多糖和蛋白质）的调节增强了微生物的盐耐受性，维持了工艺稳定性。

　　本研究探讨了部分硝化-厌氧氨氧化（PNA）工艺在盐度胁迫下的响应与适应机制，并引入额外的碳源以评估其对氮去除路径及微生物群落动态的影响。通过在基础实验中采用8 g/L的进水盐度，研究者对不同碳源水平进行了系统分析，以观察其对群落结构、胞外聚合物（EPS）组成以及整体氮转化效果的影响。研究发现，尽管C/N比值发生变化，PN/A系统仍能保持相对稳定的氮去除效率。具体厌氧氨氧化活性（SAA）测试和功能基因分析表明，厌氧氨氧化路径在整个136天的操作过程中持续存在，但随着碳源的增加，其贡献逐渐减少。在较高化学需氧量（COD）水平下，硝酸盐的竞争加剧，导致异养反硝化菌的活跃，从而使得主导的氮去除路径从自养型厌氧氨氧化转变为异养型反硝化。然而，这种代谢转变仍能使系统维持约80%的总氮去除效率，表明即使在较低的C/N比值下，PN/A工艺在盐度胁迫下的适应能力依然显著。通过对微生物活性和EPS指标的系统监测，研究揭示了关键的生理和代谢适应机制，这些机制增强了污泥的稳定性与功能的稳健性。研究结果为理解微生物在盐度胁迫下的适应提供了有价值的见解，并强调了在具有可变碳输入的盐水废水处理系统中优化PN/A技术的实用策略。

氮去除是废水处理中的重要环节，对于环境保护具有重要意义，尤其是在减少富营养化方面。富营养化现象会破坏生物多样性，降低水质，同时对人类健康构成威胁。过量的氮排放会促进藻类繁殖，进而导致氧气消耗和生态系统崩溃。传统的氮去除方法，如硝化-反硝化过程，虽然广泛应用，但其能耗较高，且会产生大量污泥，因此亟需更为可持续的替代方案。PNA工艺通过结合氨氧化菌（AOB）的氨氧化作用与厌氧氨氧化菌（AnAOB）的厌氧氨氧化作用，实现了高效氮去除，同时降低了能耗和污泥产量。这些优势使PNA工艺成为处理高浓度氨氮废水的理想选择，尤其是在处理诸如垃圾渗滤液和化肥及制药工业废水等复杂来源的废水时表现突出。

然而，PNA工艺在处理低C/N比值的废水时，仍然面临一定的挑战。例如，在厨房废水和厌氧消化上清液等复杂基质中，有机碳的缺乏会限制异养反硝化菌的活性，进而导致氮去除不完全、硝酸盐积累和工艺稳定性下降。此外，工业和沿海市政废水中的高盐度，如海产品加工废水，会对微生物群落产生渗透胁迫。高钠浓度会干扰AOB的关键酶功能，而氯离子则可能破坏AnAOB细胞膜的完整性，导致生物质浮出、污泥分解，甚至反应器失效。目前，针对PNA系统的现有研究大多集中在单一胁迫因素的影响上，而对盐度和碳源共同作用下的系统响应仍缺乏深入理解。解决这一知识空白对于提升系统稳定性并确保PNA技术在实际废水处理中的可行性至关重要。

在盐度胁迫下优化PNA系统的另一个关键挑战在于碳源的双重作用。通常认为，碳源是反硝化过程的促进因素，但在高盐环境中，其作用变得复杂。一方面，较高的COD水平可能会将电子流引导至异养反硝化菌，从而减少硝酸盐对AnAOB的可利用性，进而影响PNA工艺的协同效应。另一方面，受控的碳源补充可能会促进EPS的分泌，增强微生物的盐度耐受性并提升生物膜的稳定性。例如，在高盐度条件下，富含多糖的EPS基质可以缓解钠离子的渗透，从而保护AnAOB细胞膜。这种双重作用凸显了在实际应用中系统性研究盐度与碳源相互作用的重要性，尤其是在沿海废水处理等盐度与COD波动并存的场景中。

当前的研究尚未完全解决这些复杂性，仍然存在一些关键问题需要进一步探讨。例如，在盐度和碳源的双重胁迫下，微生物群落如何在自养和异养活动之间取得平衡？EPS的调控是否能够抵消盐度引起的抑制作用，同时维持氮去除效率？解决这些问题对于充分发挥PNA技术在盐度影响区域的可持续废水管理中的潜力至关重要。

为了解决这一知识空白，本研究采用改进的气举内循环分区生物反应器（AIPBR）对盐度胁迫下的PNA工艺进行了系统评估，并引入了受控的碳源。在实验过程中，对氮去除性能进行了严格监测，同时对污泥特性，包括混合液悬浮固体（MLSS）与混合液挥发性悬浮固体（MLVSS）以及EPS的组成，如蛋白质和多糖部分，进行了详细分析。为了进一步了解EPS在盐度和碳源变化下的结构响应，研究采用了三维激发-发射矩阵（3D-EEM）荧光光谱技术。微生物活性则通过体外活性测试进行评估，而16S rRNA测序则提供了关于微生物多样性变化和关键功能类群的深入见解。这种综合方法不仅揭示了盐度胁迫与碳源输入对系统稳定性及氮转化路径的调控机制，还为在盐度废水处理中优化PNA技术提供了实用的指导。

在实验设备的操作过程中，我们使用了由实验室改进的AIPBR。该装置采用有机玻璃制造，总体积为2.4升，有效高度为175厘米，内径为130厘米，工作体积为1.9升。反应器主要包括分离沉淀区和反应区，主要结构包括内筒、导流管和污泥分离器。合成废水被用作实验中的进水基质，以模拟不同盐度和碳源条件下的实际运行情况。实验设计考虑了多种因素，包括盐度的梯度变化、碳源的种类和浓度，以及反应器运行的稳定性。通过这些实验，研究者能够更全面地理解PNA工艺在复杂环境中的适应能力，并为实际应用提供科学依据。

在整体性能变化方面，接种的污泥来源于一个稳定的PNA系统，能够在启动阶段高效去除氮，这表明污泥已经适应了8 g/L的盐度环境。尽管盐度对厌氧氨氧化菌的保留存在抑制作用，但系统在150天后仍能实现80.1%±1.9%的总氮去除率（见图1）。在第二阶段，为了评估碳源在高盐度环境下的影响，研究者引入了乙酸钠作为代表性的碳源。随着进水C/N比值增加至0.6，氮去除率最初有所提升，但随后受到碳源竞争和离子胁迫的影响而逐渐下降。这表明，虽然碳源在一定程度上促进了氮去除，但其增加也对系统稳定性带来了挑战。研究发现，当COD水平升高时，异养反硝化菌的活性增强，从而改变了氮去除路径的主导地位。尽管厌氧氨氧化活性仍然存在，但其贡献逐渐被异养反硝化所取代，最终导致系统氮去除能力的转移。这一发现为PNA工艺在盐度废水处理中的实际应用提供了新的视角，并强调了在高盐度和高碳源条件下，异养反硝化可能成为主要的氮去除机制。

此外，研究还探讨了盐度和碳源对微生物群落结构的影响。通过16S rRNA测序，研究人员发现随着碳源的增加，微生物群落的多样性发生了显著变化。某些异养菌种的相对丰度上升，而自养型微生物的占比则下降。这种变化反映了系统在应对盐度和碳源双重胁迫时的适应机制。例如，某些菌种可能通过代谢途径的调整来适应高盐度环境，同时利用额外的碳源维持其活性。这些适应性变化不仅影响了氮去除效率，还对污泥的结构和功能产生了深远影响。研究还发现，EPS的组成和结构在盐度和碳源变化下发生了相应调整，这可能对微生物的耐盐性、污泥的沉降性能以及反应器的整体运行稳定性产生了积极影响。

在结论部分，研究指出AIPBR在盐度胁迫下表现出一定的部分抗性，但随着COD的增加，氮去除路径从自养型向异养型转变。尽管厌氧氨氧化活性仍然存在，但其逐渐受到底物竞争和离子胁迫的抑制，而自养型PNA路径并未恢复。相反，异养型反硝化成为了氮去除的主要驱动力。这一结果表明，在高盐度环境下，碳源的引入可能对氮去除路径产生显著影响，但其作用具有一定的复杂性。研究还强调，尽管异养反硝化在某些情况下可能成为主导机制，但其对系统稳定性的潜在影响仍需进一步评估。因此，针对盐度和碳源的综合调控策略对于提升PNA工艺的适应性和效率至关重要。

研究的发现不仅为PNA工艺在高盐度环境下的应用提供了理论支持，也为实际工程设计提供了重要的参考。例如，在沿海或工业废水处理中，如何在维持氮去除效率的同时，平衡盐度和碳源的影响，是当前面临的重大挑战。本研究通过系统性实验，揭示了PNA工艺在盐度胁迫下的适应机制，并指出碳源的引入虽然可能促进EPS的分泌，但同时也可能加剧异养反硝化菌的竞争，从而影响系统的稳定性。因此，未来的研究需要进一步探索如何在不同盐度和碳源条件下优化PNA工艺的运行参数，以实现高效、稳定的氮去除。

此外，研究还强调了EPS在盐度胁迫下的重要性。EPS不仅能够作为微生物的保护屏障，还可能在维持污泥结构和功能方面发挥关键作用。通过3D-EEM荧光光谱分析，研究发现EPS的组成和结构在盐度变化下发生了显著调整，这可能对微生物的耐盐性产生了积极影响。例如，多糖类EPS的增加可能有助于减少钠离子的渗透，从而保护AnAOB细胞膜的完整性。这种适应性变化不仅提升了系统的稳定性，还为微生物在高盐度环境下的生存提供了可能。因此，EPS的调控可能成为提升PNA工艺适应能力的重要手段。

在实验过程中，研究人员还关注了微生物活性的变化。通过体外活性测试，他们发现随着盐度和碳源的增加，微生物的活性表现出一定的波动。在低盐度和低碳源条件下，自养型微生物的活性较高，而随着盐度的升高和碳源的增加，异养型微生物的活性逐渐增强。这种变化可能反映了微生物群落在不同环境条件下的代谢策略调整。例如，在高盐度条件下，某些异养菌可能通过调整其代谢途径来适应环境压力，而自养型微生物则可能受到抑制，导致其活性下降。这种微生物活性的变化不仅影响了氮去除效率，还对系统的整体运行性能产生了深远影响。

综上所述，本研究通过系统的实验设计和综合分析方法，揭示了PNA工艺在盐度胁迫下的适应机制及其对氮去除路径的影响。研究发现，尽管盐度对微生物的活性和稳定性构成了挑战，但通过引入受控的碳源，系统仍能维持较高的氮去除效率。然而，这种效率的维持伴随着氮去除路径的转变，从自养型厌氧氨氧化向异养型反硝化过渡。这种转变表明，PNA工艺在高盐度环境下的适应能力是动态变化的，需要根据具体的环境条件进行优化。研究还指出，EPS的调控可能在提升系统稳定性方面发挥重要作用，为未来的工程实践提供了新的思路。

本研究的成果不仅有助于深化对PNA工艺适应机制的理解，也为实际应用提供了重要的理论依据和技术支持。在实际废水处理过程中，如何在高盐度和高碳源条件下维持系统的稳定性和高效性，是当前面临的关键问题。通过本研究的发现，可以为设计和优化PNA工艺提供新的视角，例如在反应器设计中考虑EPS的调控策略，或者在运行过程中引入适当的碳源以平衡不同微生物的活性。此外，研究还强调了对微生物群落动态的持续监测的重要性，以便及时调整运行参数，确保系统的长期稳定运行。

在实际应用中，PNA工艺的推广和优化需要综合考虑多种因素，包括盐度、碳源、微生物活性以及EPS的调控。通过深入研究这些因素的相互作用，可以为PNA工艺在复杂环境下的应用提供更加全面的解决方案。例如，在沿海废水处理中，如何在高盐度和高COD条件下维持系统的氮去除效率，是当前研究的重点之一。本研究的结果表明，尽管异养反硝化可能成为主导机制，但其对系统稳定性的潜在影响仍需进一步评估。因此，未来的工程实践需要结合本研究的发现，制定更加科学和有效的运行策略，以确保PNA工艺在实际应用中的可行性和高效性。

最后，本研究的作者团队由多位科学家组成，他们在不同领域发挥了重要作用。Risen Yang负责论文的撰写、修改、数据分析和概念设计，Jianhong Jiang提供了实验资源，Yanxiao Wei负责监督和项目管理，Zhihua Liu参与了实验方法的制定和资金获取，Yangkai Liu负责数据整理，Binquan Wang参与了实验方法的设计，Mohd Fadhil Md Din负责数据可视化和实验方法的实施，Eli Hendrik Sanjaya参与了实验方法和概念设计，Hong Chen则负责监督和项目管理，并协助资金获取。这些作者的共同努力为本研究的顺利完成提供了坚实的基础，同时也为未来的研究和应用奠定了重要的合作基础。