《Journal of Environmental Chemical Engineering》：How temperature affects anammox for the treatment of ammonia-rich saline wastewater: Phenomena, microbial activity, diversity and resistance genes
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盐胁迫下低温对厌氧氨氧化颗粒污泥性能的影响研究。摘要：在梯度冷却环境中，厌氧氨氧化颗粒污泥（AnGS）在25℃以上高效稳定运行，氮去除率（NRR）达1.95 kg-N/m3·d，因关键酶活性维持及Candidatus Kuenenia丰度较高。15℃时NRR降至0.70 kg-N/m3·d，酶活性显著下降，Candidatus Kuenenia减少且微生物群落结构变化。
Jianbo Wu|Yafeng Li|Chi Zhang|Yinan Xu|Jin Tang|Qianqian Li|Siding Xu
沈阳建筑大学市政与环境工程学院，中国沈阳 110168
摘要
本研究探讨了温度对盐胁迫下厌氧氨氧化颗粒污泥（AnGS）性能的影响。一个上流式厌氧污泥层反应器在梯度冷却环境中运行。当温度高于25℃时，反应器在盐胁迫（NaCl浓度为20 g/L）下能够高效稳定地运行，氮去除率（NRR）达到1.95 kg-N m^-3 d^-3。这归因于关键酶的高活性以及颗粒中Candidatus Kuenenia菌数量的增加。定量PCR结果显示，抗渗透基因HOG1和细胞结构维持基因mreB的表达随温度降低而减少，从而无法有效保护微生物。随着温度的下降，AnGS中的关键酶活性大幅降低，氮去除性能也随之下降，在15℃时氮去除率仅降至0.70 kg-N m^-3 d^-3。Candidatus Kuenenia菌的数量也随温度降低而减少，颗粒微生物群落结构发生了变化。总之，本研究为低温条件下耐盐厌氧氨氧化工艺的应用提供了理论基础。
引言
由于淡水资源的稀缺，许多国家使用微咸水或咸水作为替代水源，导致城市污水的盐度增加[1]。此外，海洋水产养殖、皮革和制药等行业的快速发展也产生了大量含盐废水[2]。盐度显著抑制微生物活性；盐度超过1%（w/v）可能对细菌细胞造成渗透压胁迫，阻碍底物降解[3]。因此，迫切需要开发高效的耐盐废水处理工艺。
厌氧氨氧化（Anammox）工艺在处理含氮废水方面具有巨大潜力。与其他传统工艺相比，它能耗低，不需要额外添加碳源，并且氮去除效率（NRE）高[4][5]。此外，Anammox还可以从含盐废水中去除氮。多项研究表明，通过有效的适应过程，厌氧氨氧化细菌（AnAOB）能够在盐胁迫下保持其活性。Zhou等人[6]在适应后实现了稳定的氮去除性能（>86%），盐浓度为20 g/L。Jeong等人[7]经过264天的逐步适应，氮去除效率达到了85%。AnAOB通过积累相容溶质和合成胞外聚合物（EPS）等策略来维持渗透压平衡[8][9]。然而，这些策略耗能较高，会延长AnAOB的繁殖周期。
大多数关于含盐废水的研究都集中在厌氧氨氧化的最佳温度（30–35℃）上。废水的温度通常受季节变化和地理位置的影响。在寒冷地区，废水温度通常低于25℃[10]。Ma等人[11]发现，当厌氧氨氧化系统的温度降至18℃时，氮去除效率（NRE）和氮去除率（NRR）分别降至55.6%和2.11 kg-N m^-3 d^-3。AnAOB是嗜热细菌；在低温下，细胞膜呈现凝胶状，不利于营养物质跨膜运输[12]。温度的降低会影响细菌的代谢活性，进而影响分泌代谢产物的变化。这可能导致寒冷地区厌氧氨氧化工艺出水质量的显著波动，并阻碍其在寒冷地区的应用。
随着工业和海洋发展的增长，含盐废水的产生持续增加。作为影响生物氮去除的因素之一，温度对厌氧氨氧化的运行具有重要影响。虽然已有研究探讨了低温和盐胁迫下厌氧氨氧化工艺的性能，但尚未深入研究厌氧氨氧化颗粒污泥（AnGS）在这些条件下的适应机制。本研究测试了盐度和温度对厌氧氨氧化的影响，并提出了低温和盐胁迫对AnGS的作用机制。
实验部分
厌氧氨氧化反应器的运行条件
实验在一个工作体积为10 L的有机玻璃制上流式厌氧污泥层反应器中进行。接种的AnGS来源于之前的实验，具有耐20 g/L盐度的能力[13]。主要细菌种类为Candidatus Kuenenia，接种污泥的挥发性悬浮固体（VSS）含量为10.1 g/L。进水由合成废水组成，其中NH4Cl和NaNO2以1:1.2的恒定比例提供氮源。
梯度冷却条件下的厌氧氨氧化反应器性能
图1显示了厌氧氨氧化反应器的氮去除性能。当温度高于25℃（1–62天）时，反应器表现出良好的氮去除性能：氮去除率为1.95 ± 0.12 kg-N m^-3，氮去除效率（NRE）稳定在约83.27%。R_s和R_p接近理论值1.32和0.26，表明厌氧氨氧化是反应器中的主要氮去除途径。当温度降至20℃（63–98天）时，氮去除性能有所下降。
结论
本研究探讨了高盐度对不同温度条件下AnGS性能的影响。温度的降低加剧了颗粒的盐度胁迫；低温和盐度双重胁迫对厌氧氨氧化的抑制主要是由于关键酶活性的降低。抗渗透基因HOG1和细胞结构维持基因mreB的表达部分缓解了盐度的抑制作用；然而，随着温度的进一步降低，它们的表达水平也随之下降。
作者贡献声明
Jin Tang：软件开发。
Yinan Xu：软件开发。
Siding Xu：软件开发。
Qianqian Li：撰写 – 审稿与编辑，数据管理。
Jianbo Wu：撰写 – 初稿撰写，方法设计，实验实施，数据分析。
Chi Zhang：实验指导，资金争取，数据管理。
Yafeng Li：撰写 – 审稿与编辑，资源协调，资金争取，概念构思。
利益冲突声明
作者声明以下可能构成潜在利益冲突的财务利益和个人关系：Yafeng Li表示获得了中国环境科学研究院的财务支持。如果还有其他作者，他们声明没有已知的可能影响本文工作的财务利益或个人关系。
致谢
本研究得到了“水污染控制与处理重大科技项目”（2018ZX07601-002）的支持。辽宁省教育厅青年项目（LJ212410153007）和兴安盟科技合作项目（WLFZ2024001）也提供了支持。
