在酸性部分亚硝化过程中，利用游离亚硝酸酸引导的微生物重构技术可实现Candidatus Nitrosoglobus的选择性富集

《Environmental Science & Technology》：Free Nitrous Acid-Guided Microbial Restructuring Enables Selective Enrichment of Candidatus Nitrosoglobus in Acidic Partial Nitritation Process

选择性富集酸耐性AOB Ca. Nitrosoglobus的关键驱动因素是持续积累的自由亚硝酸盐（FNA），而非单独低pH。研究通过对比两套气升式反应器（FNA预处理与常规运行）的长期运行数据，结合微生物群落分析和动力学模型，发现FNA通过抑制NOB活性（抑制率达100%）和诱导AOB succession（Ca. Nitrosoglobus相对丰度从0.68%增至11.07%），在pH 4.0-5.0时实现稳定酸性硝化（硝rite积累率97.7%）。物流模型显示，FNA浓度≥0.75 mg/L时显著提升AOB活性（135.9 mg N g?1 VSS d?1），而pH<4.5时硝酸盐化学氧化导致NAR下降20%。研究证实，协同作用机制（pH<6.0 + FNA>6 mg/L）可有效抑制NOB并维持高AOB活性。

　　在污水处理领域，硝化作用是一种关键的生物化学过程，对氮的去除至关重要。传统的硝化过程由自养型氨氧化细菌（AOB）和亚硝酸盐氧化细菌（NOB）共同完成，将氨转化为硝酸盐。然而，这一过程需要大量的氧气，同时还会消耗有机碳，从而增加了运行成本和环境负担。因此，研究者们正在寻找替代方案，以降低能耗并减少对外部有机碳的依赖。部分硝化和厌氧氨氧化（PN/A）技术因其低能耗和无需额外有机碳的特性而备受关注。该技术通过部分硝化将氨选择性地氧化为亚硝酸盐，随后利用厌氧氨氧化菌将亚硝酸盐进一步转化为氮气，实现高效的氮去除。然而，PN/A技术的实际应用面临挑战，尤其是在维持稳定的部分硝化过程中，必须确保氨氧化细菌在酸性条件下有效氧化氨，同时抑制亚硝酸盐氧化细菌，防止其进一步将亚硝酸盐氧化为硝酸盐。

为了探索如何在酸性条件下实现氨氧化细菌的定向富集，特别是酸性耐受型的**Candidatus Nitrosoglobus**，本研究通过设置两个平行的气举反应器，分别采用FNA预处理和不预处理的方式，比较了不同条件下微生物群落的变化。研究结果表明，FNA的长期积累是实现**Candidatus Nitrosoglobus**富集和建立其优势地位的关键因素，而不仅仅是低pH环境本身。在FNA预处理的反应器中，能够有效抑制NOB活性，促进亚硝酸盐的积累，并使**Candidatus Nitrosoglobus**取代传统的**Nitrosomonas**成为优势菌群。相比之下，未进行FNA预处理的反应器未能成功富集**Candidatus Nitrosoglobus**，尽管其pH值在理论上适合该菌群的生长。

本研究进一步揭示了FNA在微生物群落演变中的核心作用。FNA具有显著的抗菌特性，可以破坏微生物细胞结构，抑制NOB的活性，从而为**Candidatus Nitrosoglobus**的生长提供有利的生态位。此外，FNA的积累促进了AOC（氨氧化活性）的提升，同时提高了系统运行的稳定性。实验数据显示，FNA预处理反应器在酸性条件下表现出更高的氨氧化效率，其特定的氨氧化活性（SAOA）达到了135.9 mg N/g VSS/d，而未预处理反应器则未能实现类似的富集效果。这一结果表明，FNA的持续积累是实现**Candidatus Nitrosoglobus**主导的氨氧化过程的关键因素，而非单纯的低pH环境。

研究还探讨了FNA对微生物群落结构的影响。在FNA预处理反应器中，随着FNA浓度的上升，微生物多样性显著下降，尤其是对FNA敏感的细菌如NOB被逐渐淘汰，而**Candidatus Nitrosoglobus**则成为优势菌群。这种选择压力使得原本占主导地位的**Nitrosomonas**无法适应高FNA浓度环境，其相对丰度显著下降。相比之下，未预处理反应器中的微生物群落虽然也经历了酸化过程，但由于缺乏足够的FNA积累，**Candidatus Nitrosoglobus**未能成功占据主导地位。研究进一步指出，FNA的积累不仅有助于抑制NOB，还能通过改变微生物的生态位，促使特定的菌群（如**Candidatus Nitrosoglobus**）在系统中占据优势。

从实际操作的角度来看，本研究提出了实现稳定部分硝化系统的策略。FNA的持续积累是富集**Candidatus Nitrosoglobus**的核心目标，因此在启动阶段应优先考虑NOB的抑制，以确保FNA的有效积累。此外，维持适当的pH范围（通常在4.5以上）可以减少亚硝酸盐向硝酸盐的化学氧化，从而防止氮气的逸出以及温室气体的产生。在实验中，FNA预处理反应器在启动后10天内就实现了稳定的部分硝化过程，且在后续阶段保持了较高的亚硝酸盐积累率（NAR），而未预处理反应器则未能达到这一效果。

从更广泛的角度来看，**Candidatus Nitrosoglobus**在污水处理和污泥资源化方面具有重要应用价值。它能够在极端酸性条件下（pH < 4.5）维持较高的氨氧化活性，从而支持污泥酸化和重金属的释放。这一特性使得**Candidatus Nitrosoglobus**成为一种潜在的工具，用于降低污泥体积、提高氮去除效率，并实现无化学物质的污泥资源回收。然而，由于**Candidatus Nitrosoglobus**的最适pH范围为5.5–6.5，而厌氧氨氧化菌（如**Brocadia**）的最适pH范围为7.5–8.0，因此如何在单阶段的PN/A系统中实现这两种微生物的协同作用，仍然是一个需要进一步研究的问题。

综上所述，本研究揭示了FNA在酸性条件下实现**Candidatus Nitrosoglobus**富集和主导作用中的关键地位。通过实验，研究者们发现FNA的持续积累不仅能够有效抑制NOB，还能通过改变微生物的生态位，促使**Candidatus Nitrosoglobus**在系统中占据优势。这一发现为工程实践提供了重要的理论基础，也为未来的污水处理工艺优化和微生物群落调控提供了新的思路。此外，研究还强调了FNA在实际操作中需要被精确控制，以确保系统的稳定性和高效性。这些成果有望推动酸性部分硝化技术在主流污水处理中的应用，为实现低碳、高效、可持续的氮去除工艺提供科学依据。