《Water Research》：Advancements and Challenges in Carrier-Mediated Enhancement of Partial Nitritation-Anammox (PN/A): Mechanisms and Optimisation Strategies - A Review
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部分硝化-厌氨氧化（PN/A）技术通过载体材料构建氧梯度微环境，解决AnAOB流失与系统不稳定问题，重点研究载体表面特性、电子传递加速及生物膜调控机制，并探讨新型材料如零价铁和活性炭的应用潜力，未来方向包括微生态位构建、智能响应载体及微生物-材料协同进化策略。
卢卢|朱一春|黄书昌|欧阳静茹|谢军|胡峥|连俊峰|陈崇军
中国江西省科学技术大学源头地区水生态保护重点实验室，赣州341000
摘要
部分亚硝化/反硝化（PN/A）是一种潜在的生物脱氮技术，但实现稳定的PN/A过程并不简单。载体能够建立氧气梯度微环境，从而解决反硝化细菌流失和系统不稳定的问题。在载体微生物附着机制、功能修饰以及生态位构建方面的进展引起了全球关注。在这篇综述中，我们全面探讨了微生物在载体表面初始附着和生物膜形成的基本机制，包括加速电子传递和增强群体感应介导的生物膜调控。文章还讨论了新兴材料（如零价铁、颗粒活性炭）作为载体促进PN/A的潜力。这些新材料为解决生物膜形成延迟和群体稳定性低等关键问题提供了有希望的解决方案。我们总结了载体结构开发的方法，并提出了未来研究的方向，包括生态位构建、智能响应载体和微生物-材料协同进化策略。总体而言，本文为载体介导的PN/A增强机制提供了宝贵的见解，突显了载体技术在该领域中的重要作用。
引言
部分亚硝化/反硝化（PN/A）作为一种新兴的低碳自养脱氮技术，受到了全球关注（Cui等人，2023；Li等人，2023）。氨氧化细菌（AOB）与反硝化细菌（AnAOB）之间的氧气需求矛盾限制了AnAOB的生物量，进而影响了PN/A系统的稳定高效运行（Akaboci等人，2018；Ji等人，2020；Li等人，2020）。已经提出了多种先进策略，如定制多孔结构、表面物理化学修饰和功能材料掺杂（Adams等人，2020；Qian等人，2022；Yang等人，2021a），以应对AOB和AnAOB对不同因素（如溶解氧（DO）、pH值和底物浓度）的不同敏感性（Chen等人，2019；Connan等人，2018）。然而，实现稳定高效的PN/A系统仍面临几个关键挑战：i) 必须建立厌氧微环境以提供AnAOB的最佳生长条件；ii) 必须维持稳定的部分亚硝化（PN）过程以确保氮盐的稳定供应（Baeten等人，2019；Cui等人，2021；Li等人，2021）。
载体为微生物提供了附着和繁殖的表面，为AnAOB的滞留和生长创造了有利条件（Wang等人，2022）。基于载体的生物膜系统不仅为AnAOB的生长创造了优化微环境，还起到了抵御环境干扰和冲击的保护作用（Kosgey等人，2021a）。载体有助于延长污泥停留时间（SRT），从而支持AnAOB的长期生成（Wang等人，2025a）。因此，基于载体的PN/A系统表现出更强的反硝化活性和更高的脱氮效率（Chen等人，2025；Kowalski等人，2019）。关于载体的先进研究集中在表面性质（如Zeta电位、接触角等）的优化、表面粗糙度的改进以及复合材料的开发上（Jin等人，2024；Liu等人，2023）。与传统PN/A系统相比，这些方法在提高脱氮效率和加快启动时间方面取得了显著进展（Chen等人，2024）。然而，目前载体在PN/A领域的应用仍处于起步阶段，仍需解决系统不稳定性和微生物抗性不足的问题（Qian等人，2023）。因此，先进的载体设计展示了良好的发展趋势，包括微生物-载体生态系统的生态位结构、仿生结构优化和智能响应能力。
载体可以促进PN/A系统中微生物的分层。鉴于生物膜形成和附着过程的重要性，深入理解这些现象对推进生态位构建具有重要意义。然而，关于载体修饰方法及其相关微生物协同机制的综合性研究尚不足。因此，我们旨在阐明载体如何促进微生物生态位分化，并分析先进的载体优化策略。此外，我们还总结了传统载体的局限性及现有的修饰方法，为未来的载体开发和优化研究提供了框架。
载体表面分层微生物生态位形成的动态
载体通过其表面特性与生物膜发育的协同作用来提升系统性能（J. Zhang等人，2022）。细菌附着到载体表面分为两个步骤：在初始附着阶段（图1a），废水流经载体表面，微生物进行微观着陆；随后AnAOB能够穿透边界层并接近载体表面（Wang等人，2018）。
载体尺寸
载体的性能受其尺寸、形态和制造方法的共同影响（Yang等人，2021b）。微生物主要在宏观多孔载体上呈二维平面生长，形成的生物膜厚度为0.4–2.3毫米。而在聚氨酯海绵的微孔结构中，生物膜可生长至超过5毫米的厚度（Yang等人，2021c）。水力剪切应力和渗透效应对生物膜的形成有重要影响。
结论与未来研究展望
载体在解决PN/A系统启动时间过长和运行不稳定问题方面具有潜力，在该领域占据重要地位。因此，本文系统总结了载体调节PN/A系统的双重机制以及多种增强PN/A系统的策略。
- (1)
载体在PN/A系统中的调控机制：i) 载体表面分层微生物生态位的形成动态；ii)
CRediT作者贡献声明
卢卢：撰写——初稿。
朱一春：资金获取、审稿与编辑。
黄书昌：撰写——审稿与编辑。
欧阳静茹：实验研究。
谢军：实验研究。
胡峥：软件支持、撰写——初稿。
连俊峰：撰写——审稿与编辑。
陈崇军：撰写——审稿与编辑。
利益冲突声明
作者声明不存在可能影响本文研究的已知财务利益或个人关系。
致谢
我们感谢国家自然科学基金（编号：52260004）的财政支持。
