一种基于聚羟基丁酸酯-3-羟基戊酸酯的固相反硝化工艺，用于处理富含硝酸盐的循环海水养殖系统水体：氮代谢机制与盐耐受性研究

《Environmental Technology & Innovation》：A polyhydroxybutyrate-co-3-hydroxyvalerate solid-phase denitrification process for treating nitrate-rich recirculating mariculture systems water: nitrogen metabolism and salt tolerance mechanism

海洋循环水养殖系统中硝酸盐去除效率受盐度与进水硝酸盐浓度影响，采用PHBV作为固体碳源的固相反硝化（SPD）工艺在1.5%-3.5%盐度及50-200 mg/L硝酸盐浓度下均实现稳定运行，去除速率33.9-48.2 mg/(L·d)。研究表明PHBV降解速率是限制因素，低盐度（1.5%）下硝酸盐浓度升高易导致亚硝酸盐积累，而高盐度（3.5%）中假单胞菌等耐盐菌主导硝酸盐还原，同时通过谷氨酸合成等兼容性溶质合成机制增强盐耐受性。微生物群落结构动态变化与氮代谢途径（反硝化与同化反硝化）协同作用，形成盐度适应的氮去除系统。

　　在现代海洋养殖系统中，水体中的硝酸盐（NO??-N）积累是一个亟需解决的问题。由于硝酸盐对养殖生物的生长和健康具有慢性危害，同时还会导致水体富营养化，因此，开发一种安全、高效且稳定的硝酸盐去除工艺显得尤为重要。传统的液态碳源（如甲醇、乙醇和葡萄糖）在实际应用中存在诸多限制，例如出水质量波动、过量生物量生成以及对精确投加和监测系统的依赖。因此，研究人员开始关注固相硝酸盐去除（SPD）技术，该技术利用可生物降解的聚合物作为电子供体和生物膜载体，展现出较高的安全性和效率。

本研究聚焦于使用聚羟基烷酸酯（PHBV）作为固相碳源的SPD工艺（PHBV-SPD），并探讨不同盐度（1.5%、2.5%和3.5%）和不同硝酸盐浓度（50、100和200 mg/L）对硝酸盐去除性能和微生物群落的影响。研究结果表明，PHBV-SPD工艺在不同盐度下均能实现高效的硝酸盐去除，其体积去除速率（r?）在33.9至48.2 mg/(L·d)之间。尽管硝酸盐浓度的增加并未显著提高去除速率，但添加乙醇作为辅助碳源能够有效改善PHBV的降解，从而提升硝酸盐去除效果。这表明，PHBV的降解程度是影响硝酸盐去除速率的主要因素。

此外，研究还发现，盐度对硝酸盐去除过程中的亚硝酸盐（NO??-N）积累具有显著影响。在1.5%盐度条件下，亚硝酸盐浓度明显高于2.5%和3.5%盐度下的情况，尤其是在高硝酸盐浓度（如200 mg/L）的条件下，这种趋势更加明显。这可能是由于低盐度环境更有利于某些硝酸盐还原菌的生长，从而导致亚硝酸盐的积累。相比之下，高盐度环境下的微生物群落更倾向于利用硝酸盐进行异化硝酸盐还原（ANR）或硝酸盐同化还原，这些过程有助于提高微生物的耐盐能力，降低亚硝酸盐的积累。

通过扫描电子显微镜（SEM）观察，研究者发现PHBV在SPD反应器中经过微生物降解后，其表面形成了复杂的多孔结构和突出物，为微生物附着、生长和形成生物膜提供了更多的厌氧微环境。这些结构的形成不仅有助于提高生物膜的稳定性，还增强了硝酸盐去除效率。同时，研究还揭示了微生物群落的组成和功能基因的变化趋势。例如，在PHBV-SPD反应器中，硝酸盐运输基因（如nrtA/B/C和NRT2）的相对丰度显著高于种子污泥，这表明PHBV-SPD工艺具备良好的硝酸盐去除能力。而硝酸盐还原相关基因（如Nar、Nap和nasA）的丰度变化也反映了不同盐度和硝酸盐浓度对微生物代谢路径的影响。

值得注意的是，研究中发现，ANR在硝酸盐去除过程中发挥了重要作用。ANR通过将硝酸盐还原为铵（NH??-N），并进一步参与谷氨酸代谢，提高了微生物的耐盐能力。高盐度环境下的微生物群落更倾向于利用ANR机制，因为这一过程与合成和积累相容溶质（如谷氨酸和谷氨酰胺）密切相关，而谷氨酸和谷氨酰胺在维持细胞渗透压平衡方面具有关键作用。这些结果进一步揭示了硝酸盐代谢与耐盐机制之间的相互作用，为优化SPD工艺提供了重要的理论依据。

本研究的另一个重要发现是，PHBV的降解过程是硝酸盐去除效率的主要限制因素。即使在高硝酸盐浓度下，如果PHBV未能充分降解，其释放的可溶性有机物（DOC）可能不足以支持硝酸盐还原反应的进行。因此，研究建议通过促进生物膜的形成、增加可溶性碳源的添加或富集具有高效硝酸盐还原能力的微生物，来进一步提升PHBV-SPD工艺的性能。这些策略不仅有助于提高硝酸盐去除效率，还能增强系统的稳定性，使其能够适应不同盐度和硝酸盐浓度的水体处理需求。

在实际应用方面，PHBV-SPD工艺展现出良好的适应性和应用潜力。该工艺能够在1.5%至3.5%的盐度范围内稳定运行，并有效去除50至200 mg/L的硝酸盐。这使得PHBV-SPD成为一种适用于循环海洋养殖系统（RMS）水处理的低维护技术。此外，研究结果还强调了在低盐度和高硝酸盐负荷条件下，亚硝酸盐积累的风险，这对于优化处理流程和设计反应器具有重要意义。

未来的研究方向应进一步探索如何提高PHBV-SPD工艺在处理高硝酸盐浓度水体中的性能。可能的策略包括优化生物膜的形成，提高功能性硝酸盐还原菌的丰度，以及通过添加辅助碳源来加速硝酸盐去除速率。此外，利用宏基因组或转录组分析等方法，可以更深入地理解硝酸盐代谢与耐盐机制之间的关系，为SPD工艺的优化提供更精确的指导。

总之，本研究不仅深化了对硝酸盐去除与微生物耐盐机制之间相互作用的理解，还为PHBV-SPD在不同盐度和硝酸盐浓度下的实际应用提供了重要的科学依据。这些发现对于实现海洋养殖水的可持续循环利用和减少环境污染具有重要意义。