《Process Safety and Environmental Protection》：Mechanistic Insights into Low-Level Cd(II)-Enhanced Partial Denitrification: Coupled Effects on Granule Formation and Carbon–Nitrogen Metabolism
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低浓度Cd2?（5-10 mg/L）促进部分反硝化（PD）性能，硝酸盐产量提升至108.65 mg-N/g-VSS/h，增强EPS分泌和颗粒污泥稳定性，Proteobacteria和Bacteroidota丰度显著增加，改善碳氮代谢及电子传递。
沈斌曹|张晓晓|翟梦梦|徐先宝|范晓燕|杜瑞
北京工业大学建筑与土木工程学院，中国北京100124
摘要
部分反硝化（PD）是生产亚硝酸盐的关键步骤，对于经济高效的厌氧氨氧化（Anammox）过程至关重要，然而其在重金属胁迫下的表现仍不为人所充分了解。本研究探讨了低浓度镉（Cd(II)，5–10 mg/L）对PD过程的影响。研究发现，Cd(II)略微提高了PD的性能，亚硝酸盐的产生速率从97.96 mg/N·g VSS·h增加到108.65 mg/N·g VSS·h，同时降低了最佳亚硝酸盐积累所需的有机碳量。Cd(II)还促进了胞外聚合物物质的分泌，有助于颗粒形成并提高了结构稳定性。微生物分析显示，在10 mg/L Cd(II)浓度下，反硝化细菌（尤其是变形菌门和拟杆菌门）显著富集，从而减少了碳的竞争并提高了底物利用率。宏基因组分析表明，Cd(II)上调了与胞外聚合物物质（EPS）相关的生物膜和ATP结合盒转运蛋白基因，改善了有机物质及Fe和Mo等必需微量元素的吸收。此外，Cd(II)增强了中心碳代谢途径（包括TCA循环和糖酵解/糖异生），并通过上调相关蛋白质编码基因促进了电子传递。这些协同作用共同加速了反硝化反应速率并提高了系统的韧性。本研究为低浓度Cd(II)对污泥颗粒化、微生物功能及碳氮代谢的联合影响提供了机制上的见解，为含微量重金属的硝酸盐工业废水处理中应用PD工艺提供了有希望的策略。
引言
部分反硝化（PD）是一种将硝酸盐（NO??-N）选择性地还原为亚硝酸盐（NO??-N）而不生成氮气（N?）的过程，已成为提高厌氧氨氧化（Anammox）效率的关键预处理步骤（Du等人，2019b；Zhang等人，2022a，2022b；Zhao等人，2024a，2024b）。通过提供NO??-N作为唯一的电子受体，PD实现了碳限制和能源高效氮去除策略的整合，形成了PD-Anammox（PDA）系统（Du等人，2016；Du等人，2015）。与传统生物氮去除工艺相比，PD具有较高的亚硝酸盐积累效率、更低的有机碳需求以及更低的温室气体（N?O）排放（Cao等人，2025；Zhang等人，2023a，2023b）。PDA工艺在处理高硝酸盐含量的工业和市政废水方面表现出优异潜力，氮去除效率超过90%（Du等人，2019a）。
然而，PD的稳定性和性能受pH值、碳氮（C/N）比以及抑制物质存在等环境条件的强烈影响（Qian等人，2019；Si等人，2018；Zhang等人，2023a，2023b）。在这些因素中，重金属是废水处理中持续存在的挑战性因素，因为它们具有生物累积性并能够干扰微生物活性（Qu等人，2025）。镉（Cd(II)是一种典型的有毒工业重金属（Zhao等人，2022），常与硝酸盐共同存在于纺织、制革和电镀等行业产生的废水中（Zhao等人，2024a，2024b）。作为工业废水中广泛存在的优先污染物（Zhang等人，2023a，2023b），Cd(II)可诱导氧化应激，破坏微生物群落结构，并抑制各种生物处理系统中的关键酶功能（Miao等人，2018；Zhao等人，2022）。
Cd(II)对传统活性污泥和Anammox过程的抑制作用已有充分记录。例如，Xu等人报告称2 mg/L的Cd(II)促进了Anammox细菌的生长，而5 mg/L的Cd(II)则抑制了其活性并减少了胞外聚合物物质（EPS）的分泌（Xu等人，2019）。类似地，在膨胀颗粒污泥床（EGSB）反应器中，当Cd(II)浓度超过64 mg/L时，氮去除效率下降（Miao等人，2018）。然而，Cd(II)对PD的具体影响，尤其是在PD颗粒污泥系统中的影响，仍知之甚少。大多数现有研究仅关注反应器级别的性能或微生物丰度变化，缺乏对相关代谢和遗传机制的深入理解。
为填补这一知识空白，本研究在序批式反应器（SBR）中探讨了Cd(II)暴露对PD的机制影响。研究目标包括：（i）评估Cd(II)胁迫下PD系统的长期性能，重点关注亚硝酸盐积累、碳利用及污泥颗粒形态的变化；（ii）阐明微生物群落的结构演变和功能变化；（iii）揭示参与EPS合成、碳氮代谢和电子传输的关键基因和途径。这些发现有望为PDA工艺在处理含微量重金属的复杂工业废水中的应用提供新的见解。
反应器配置和长期运行
为了研究镉（Cd(II)胁迫对PD的影响，使用了一个有效工作体积为5 L（直径15 cm × 高度45 cm）的SBR，并在受控条件下进行实验。种子污泥来自一个具有稳定高亚硝酸盐积累效率（NTR>90%）的实验室PD反应器，详细操作参数见表S1。混合液悬浮固体（MLSS）和混合液挥发性悬浮固体（MLVSS）的初始浓度分别为……
低浓度Cd(II)胁迫下PD-SBR系统的长期性能
图1展示了PD-SBR系统在连续运行107天期间不同Cd(II)浓度下的性能。实验根据Cd(II)水平分为三个阶段：阶段I（Cd?，0–39天，0 mg/L Cd(II)），阶段II（Cd?，40–62天，5 mg/L Cd(II)），阶段III（Cd??，63–106天，10 mg/L Cd(II)）。在阶段I中，反应器成功启动了PD过程。在最初的28天内，采用每天8个循环的运行策略，平均……
结论
本研究阐明了低浓度Cd(II)（5–10 mg/L）如何增强颗粒污泥系统中的PD过程。低浓度Cd(II)促进了EPS的分泌和污泥颗粒化，提高了结构完整性和微生物稳定性。变形菌门和拟杆菌门等反硝化细菌得到选择性富集，而非反硝化细菌数量减少，从而提高了碳的利用率。宏基因组分析显示，Cd(II)上调了与EPS相关生物膜和ABC转运蛋白基因的表达
未引用参考文献
(Li等人，2018b；Satya等人，2021；好氧颗粒的结构与稳定性，无日期)
CRediT作者贡献声明
范晓燕：撰写 – 审稿与编辑，监督，资源提供。杜瑞：撰写 – 审稿与编辑，监督，资源提供，项目管理。翟梦梦：资源提供，项目管理，概念构思。徐先宝：监督，概念构思。沈斌曹：撰写 – 审稿与编辑，监督，项目管理，资金获取，概念构思。张晓晓：撰写 – 原初草稿，方法设计，实验研究，数据分析。
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的可能会影响本文研究工作的财务利益或个人关系。
致谢
本研究得到了国家自然科学基金（项目编号：52470023，22276007）、重庆市自然科学基金（CSTB2023NSCQ-MSXO697）以及区域环境与可持续性国家重点实验室专项基金的支持。
