盐度驱动下厌氧消化-部分亚硝化厌氧氨氧化耦合系统的碳氮去除路径转换：性能、微生物动态与防御机制

《Journal of Environmental Chemical Engineering》：Salinity-Driven Shifts in Carbon and Nitrogen Removal Pathways in an Anaerobic Digestion Coupled with Partial Nitritation-Anammox System: Performance, Microbial Dynamics, and Defense Mechanisms

本研究针对高盐工业废水处理难题，探讨了盐度对AD-PN/A耦合系统性能的影响。结果表明，盐度升高至3.5%时AD系统COD去除率下降至5.4±0.1 kg/(m3·d)，而PN/A系统通过"EPS屏障-抗氧化酶"协同机制形成有效ROS清除系统，在1.6%盐度下TNRR提升至0.39±0.02 kg/(m3·d)。研究揭示了功能微生物（如Methanobacterium、Candidatus_Kuenenia）的盐度适应机制，为高盐废水低碳处理提供理论依据。

　　

随着工业化进程加速，制药、海产品加工等行业排放的"三高"废水（高盐度、高有机物、高氮浓度）已成为环境治理领域的重大挑战。这类废水复杂的理化特性会抑制微生物活性，严重影响传统生物脱氮除碳工艺的稳定性。在"双碳"战略背景下，开发低碳高效的废水处理技术成为环境工程领域的研究热点。部分亚硝化-厌氧氨氧化（Partial Nitritation-Anammox, PN/A）技术能够将约89%的氨氮直接转化为氮气，降低曝气能耗60%，减少有机碳需求90%，展现出显著优势。

面对高盐废水的处理难题，苏州科技大学环境科学与工程学院的研究团队在《Journal of Environmental Chemical Engineering》上发表了一项创新性研究。该研究以制药企业的高盐肠衣废水为处理对象，构建了厌氧消化（Anaerobic Digestion, AD）耦合PN/A的系统，深入探究了盐度梯度（1%-3.5%）对系统性能、微生物群落和防御机制的多维影响。

研究团队采用上流式厌氧污泥床（UASB）反应器（有效容积2 L）与PN/A反应器（有效容积5 L）串联的运行方式，通过逐步提升盐度浓度，系统监测了各阶段的污染物去除效率、活性氧（Reactive Oxygen Species, ROS）积累、胞外聚合物（Extracellular Polymeric Substances, EPS）分泌以及功能微生物群落演替等关键指标。

盐度对AD系统除碳性能的影响

随着盐度从1%升高至3.5%，AD系统对酪氨酸类和色氨酸类物质的降解逐渐受到抑制。COD去除率从12.0±0.5 kg/(m3·d)显著下降至5.4±0.1 kg/(m3·d)，表明高盐环境严重影响了有机物的降解效率。同时，ROS水平较接种污泥增加了3.69倍，反映出微生物遭受了严重的氧化应激。

PN/A系统的盐度响应特性

PN/A系统表现出"低促高抑"的盐度响应特征。在1.6%盐度和AD出水COD为800 mg/L的条件下，总氮去除率（Total Nitrogen Removal Rate, TNRR）达到0.39±0.02 kg/(m3·d)的最佳水平。然而当盐度升至3.5%且AD出水COD为2300 mg/L时，TNRR下降至0.30±0.01 kg/(m3·d)。值得注意的是，PN/A系统的ROS仅增加1.12倍，显著低于AD系统，证明其形成了有效的ROS清除机制。

微生物防御机制与群落演替

研究揭示了"EPS屏障-抗氧化酶"协同的盐度耐受机制。EPS作为物理屏障调节渗透压，而抗氧化酶系统（如过氧化氢酶CAT、超氧化物歧化酶SOD）则协同清除ROS，共同维护微生物的结构完整性和代谢活性。在微生物群落方面，AD系统中Methanobacterium始终为优势菌属；PN/A系统中Nitrosomonas（氨氧化细菌AOB）丰度呈现先升后降的趋势，而Candidatus_Kuenenia和Candidatus_Brocadia（厌氧氨氧化细菌AnAOB）则逐渐增加，显示出AnAOB对高盐环境的较强适应性。

研究结论与意义

该研究证实盐度是调控AD-PN/A耦合系统性能的关键因素。高盐环境下AD系统抗氧化能力不足导致ROS积累，抑制有机物降解，进而对后续PN/A系统造成盐度-有机物的双重胁迫。低有机负荷与适度盐度（<1.6%）的协同作用可增强PN/A性能，而高盐高有机负荷则导致性能下降。研究阐明了功能微生物通过EPS屏障与抗氧化酶系统的协同作用适应盐度胁迫的分子机制，为高盐工业废水的低碳处理提供了重要的理论依据和工艺优化策略。

这项研究不仅深化了对高盐环境下生物处理系统运行机制的理解，而且为实际工程中AD-PN/A耦合工艺的调控提供了科学指导，对推动工业废水处理的绿色低碳转型具有重要的实践价值。