综述：厌氧氨氧化（anammox）细菌的快速富集策略：综述

《Process Safety and Environmental Protection》：Rapid enrichment strategies for anaerobic ammonium oxidation (anammox) bacteria: A critical review

本文系统综述加速厌氧氨氧化菌（AnAOB）富集的策略，包括优化接种污泥类型、调控温度、pH及溶解氧等操作参数、调整底物配比、应用生物量滞留技术以及外部刺激如光、超声、磁场和电场的影响。这些策略显著提升富集效率，但长期稳定性仍需解决，未来需结合机器学习与分子生物学技术深化研究。

　　在当前的污水处理技术中，厌氧氨氧化（anammox）被广泛认为是一种高效、低能耗的氮去除方法。这种技术通过厌氧氨氧化菌（AnAOB）在无氧条件下将氨氮（NH??-N）和亚硝酸盐氮（NO??-N）转化为氮气（N?），从而实现氮的高效去除。然而，尽管其优势显著，AnAOB的广泛应用仍受到其固有特性的影响，如生长速率缓慢、对环境变化高度敏感以及反应器启动时间较长等问题。因此，如何快速有效地富集AnAOB，成为推动该技术实际应用的关键课题。

AnAOB作为化能自养型微生物，其生长速率较低，通常需要10至14天才能完成一次细胞分裂。这一特性导致在启动厌氧氨氧化反应器时，往往需要较长的时间来建立稳定的菌群。例如，第一个全规模的颗粒化厌氧氨氧化反应器自2003年启动以来，耗时3.5年才达到稳定运行状态，远高于最初预期的两年。此外，AnAOB对环境因素如温度、溶解氧（DO）、盐度、有机物和亚硝酸盐浓度的变化极为敏感，任何不利条件都可能对其活性和丰度造成显著影响。在温度下降至15.1°C时，厌氧氨氧化菌的丰度从4.60%降至1.90%，其中Candidatus Brocadia和Candidatus Kuenenia的丰度分别下降至1.80%和0.03%。类似地，溶解氧从0.3 mg/L增加至1.0 mg/L时，这两种菌的相对丰度分别下降了约50%和85%。高盐度条件（50–60 g/L）也会显著抑制AnAOB的活性和丰度，导致其活性降至检测不到的水平。这些现象表明，AnAOB在实际运行中面临诸多挑战，必须采取有效的策略以克服这些限制。

为了实现AnAOB的快速富集，研究者们提出了多种策略，涵盖接种污泥的选择、操作参数的调控、底物配置、生物量保留技术以及外部刺激的应用。首先，接种污泥的多样化选择对于AnAOB的富集至关重要。研究表明，不同类型的污泥，如硝化污泥（以亚硝酸盐氧化菌（NOB）为主）、反硝化污泥（以异养菌为主）和活性污泥（混合菌群），虽然其初始AnAOB含量较低（<0.10%），但因其在污水处理中的广泛存在，仍可作为有效的接种源。通过优化接种方法，如逐步增加氨氮和亚硝酸盐浓度、控制溶解氧水平以及维持适宜的温度和pH值，可以有效促进AnAOB的生长和繁殖。

其次，操作参数的精细调控是实现AnAOB富集的重要手段。温度是影响AnAOB活性和生长的关键因素之一。AnAOB的代谢活动受温度变化的直接影响，尤其是在低温环境下，其代谢速率显著下降。例如，当温度从17.9°C降至15.1°C时，AnAOB的丰度减少了一半以上，表明温度的波动会对菌群的稳定性产生重大影响。因此，保持适宜的温度范围（通常为20–35°C）对于AnAOB的富集至关重要。此外，pH值也是影响AnAOB活性的重要参数。研究发现，pH值在7.0至8.0之间时，AnAOB的代谢活动最佳，而偏离这一范围则可能导致其活性下降甚至失活。溶解氧的控制同样不可忽视，因为AnAOB在无氧条件下才能发挥最佳性能。过高的溶解氧浓度会抑制其生长，甚至导致其活性完全丧失。

在底物配置方面，氨氮和亚硝酸盐的浓度需要严格控制，以避免对AnAOB产生抑制作用。特别是，在反应器启动阶段，过高的底物浓度可能对菌群造成压力，影响其稳定性和活性。研究表明，亚硝酸盐对AnAOB的抑制作用尤为显著，其半抑制浓度（IC??）约为400 mg/L。因此，在启动阶段，应逐步增加底物浓度，以避免对AnAOB造成不利影响。同时，合理设计底物的供给方式，如采用间歇式进水或分阶段投加策略，有助于维持反应器内适宜的底物环境，从而促进AnAOB的富集。

生物量保留技术是提高厌氧氨氧化反应器运行效率的重要策略。由于AnAOB的生长速率较低，反应器内需要维持较高的生物量浓度才能实现高效的氮去除。传统的生物量保留方法包括生物膜反应器、颗粒化反应器和污泥回流等。其中，颗粒化反应器因其较高的生物量密度和良好的污泥沉降性能，被认为是最具潜力的AnAOB富集方式之一。通过优化反应器的物理结构和运行条件，如控制流速、调整反应器内微生物的附着环境等，可以有效促进AnAOB的颗粒化过程，提高其在反应器中的停留时间，从而增强其活性和去除效率。

外部刺激的应用也为AnAOB的富集提供了新的思路。研究表明，光调节、超声波、磁场、电场和负压等物理刺激能够显著影响AnAOB的活性和丰度。例如，适当的光调节可以促进AnAOB的代谢活动，提高其对底物的利用效率。超声波和磁场等物理手段则通过改变细胞膜的通透性和酶的活性，间接增强AnAOB的代谢能力。此外，负压环境可以促进微生物的聚集，提高反应器内的生物量密度，从而加速AnAOB的富集过程。这些外部刺激的合理应用，不仅有助于克服AnAOB生长缓慢的缺点，还能提高反应器的运行稳定性。

尽管已有诸多策略被提出并应用于AnAOB的富集，但仍然存在一些关键问题需要进一步研究。首先，如何在长期运行中维持AnAOB的稳定性仍然是一个挑战。由于AnAOB对环境变化极为敏感，任何微小的波动都可能对其活性产生不利影响。因此，需要探索更有效的调控手段，以确保反应器在不同环境条件下都能保持良好的运行状态。其次，AnAOB与其他微生物之间的相互作用尚未完全阐明。研究发现，某些微生物可能对AnAOB的生长产生促进或抑制作用，因此，如何构建一个有利于AnAOB生长的微生物群落，是提高反应器效率的重要方向。此外，如何将这些策略整合到实际工程应用中，也是一个值得深入研究的问题。

随着微生物分子生物学和机器学习技术的发展，未来AnAOB的富集研究将朝着更加智能化和系统化的方向迈进。通过机器学习算法，可以预测微生物群落的动态变化，优化反应器的操作参数，从而实现更高效的AnAOB富集。同时，分子生物学技术的应用，如高通量测序、宏基因组分析和蛋白质组学研究，将有助于深入理解AnAOB的生理特性及其与环境因素之间的相互作用。这些技术的结合，不仅能够提高AnAOB的富集效率，还能为厌氧氨氧化技术的工程化应用提供坚实的理论基础和实践指导。

在实际应用中，厌氧氨氧化技术的优势在于其无需额外添加有机碳源，从而降低了运行成本。特别是在碳达峰和碳中和目标的背景下，这一特性使其在可持续污水处理领域具有更大的吸引力。然而，要充分发挥其潜力，必须解决其在实际运行中的各种限制因素。因此，未来的研发方向应聚焦于如何提高AnAOB的耐受性和适应性，使其能够在更广泛的环境条件下稳定运行。此外，还需进一步探索不同接种源和操作条件对AnAOB富集的影响，以优化反应器的设计和运行策略。

综上所述，厌氧氨氧化技术作为一种高效的氮去除方法，在污水处理领域具有广阔的应用前景。然而，其广泛应用仍受限于AnAOB的生长特性和环境适应性。通过多样化的接种污泥选择、精细化的操作参数调控、合理的底物配置、有效的生物量保留技术以及外部刺激的应用，可以显著提高AnAOB的富集效率和反应器的运行稳定性。未来的研究应进一步整合微生物分子生物学和机器学习技术，探索更智能化和系统化的富集策略，以推动厌氧氨氧化技术在可持续污水处理中的广泛应用。