应用于人工湿地中增强部分反硝化作用的废水负荷调节方法及其机制：从微生物组结构到单细胞功能验证

《Bioresource Technology》：Application and mechanisms of wastewater load regulation for enhanced partial denitrification in constructed wetlands: From microbiome structure to single-cell functional validation

【字体：大中小】 时间：2025年12月30日 来源：Bioresource Technology 9

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　　人工湿地通过调节进水负荷实现部分反硝化（PD）主导微生物群落构建，低负荷组总氮去除率达97.11%，显著优于中高负荷组。其机制在于低负荷缓解游离氨抑制，富集Pseudomonas和Flavobacterium等关键菌属，形成亚硝酸盐驱动协同氮去除网络（anammox和n-DAMO）。

谢亚文|姜灿灿|徐胜军|周汉昌|王鹏|杨阳|侯晓瑶|郑晓旭|庄旭亮

中国科学院生态环境科学研究院，北京100085，中国

摘要

在人工湿地（CWs）中实现高效的氮去除通常受到高污染物负荷对微生物活性的抑制作用的影响。本研究验证了通过调节进水负荷是构建以部分反硝化（PD）为主的微生物生态系统的关键策略，有效克服了这些限制。通过比较低负荷（LL）、中负荷（ML）和高负荷（HL）条件，LL组实现了更高的总氮去除率（高达97.11%），分别比ML组和HL组高出9.28%和16.21%。其背后的机制在于在较低负荷下减轻了游离氨（FA）的抑制作用，从而促进了如Pseudomonas和Flavobacterium等关键PD相关菌属的富集。这种工程化的群落结构促进了亚硝酸盐的稳定产生，亚硝酸盐是后续如厌氧氨氧化（anammox）和DAMO等过程的关键底物，从而形成了协同的氮去除网络。因此，我们的研究结果证实，管理进水负荷是构建稳定、以PD为主的微生物生态系统以实现高效和可持续氮去除的关键且实用的方法。

引言

人类活动导致大量氮（N）排放到环境中。源自废水的氮污染引发了众多环境和社会问题，包括土壤酸化、温室效应、酸雨和人类疾病（Michael Beman等人，2005年）。人工湿地（CWs）是一种具有优势的环保废水处理方法，其特点是运营成本低且维护方便。它们对来自畜牧业养殖、农产品加工等主要位于农村地区的高氮负荷水体表现出特别有效的处理能力（Vymazal和B?ezinová，2015年；Zhi等人，2015年）。

作为植物-微生物结合的水生生态系统，人工湿地建立了长期或周期性淹没的条件，成为水化学反应和微生物氮循环过程的热点（Wang等人，2018年）。微生物的氮去除机制主要包括硝化、反硝化和厌氧铵氧化（anammox）。硝化过程由氨氧化细菌（AOB）和古菌（AOA）将铵（NH₄⁺）氧化为亚硝酸盐（NO₂^–），随后通过亚硝酸盐氧化细菌（NOB）进一步氧化为硝酸盐（NO₃^–）。反硝化过程将NO₃^–逐步还原为NO₂^–，最终产物为N₂O、NO₂^–和N₂，而anammox微生物则利用铵作为电子供体直接将NH₄⁺和NO₂^–/NO₃^–转化为N₂（Giannopoulos等人，2017年）。值得注意的是，部分反硝化（PD）是一种截短的反硝化途径，其中NO₂^–还原为N₂的过程被 bypass，导致NO₂^–的积累，这些NO₂^–可以作为anammox或依赖亚硝酸盐的厌氧甲烷氧化（n-DAMO）过程的底物。

部分反硝化-厌氧氨氧化（PD-A或PD/A）过程的结合实现了NO₃^–-N和NH₄⁺-N的同时去除，这成为生物氮去除研究的热点（Du等人，2019a；Han等人，2021年）。这种方法最初应用于废水处理厂，通过工艺耦合，单阶段PD-A系统接种成熟PD和anammox污泥后，对生活污水和富含硝酸盐的污水实现了95.8%的总氮去除效率（Cao等人，2016年；Du等人，2017b年）。该技术已成功应用于主流废水处理设施，包括美国的N-PD/A工艺和中国的PD/A-N工艺（Im等人，2025年）。

PD-A工艺非常适合处理来自畜牧业养殖和农产品加工等农村来源的废水，这些废水通常具有高污染物负荷，并且同时存在NH₄⁺和NO₃^–（Du等人，2019b年；Zhi等人，2015年）。这种方法优化了内在碳源的利用，并减少了反硝化过程中的直接N₂O排放（Xie等人，2023年；Yao等人，2023年）。

然而，关于人工湿地沉积物中PD-A和PD耦合过程的研究仍然有限。一些研究表明，类似于主流废水处理模式，较低的C/N比有利于通过PD实现NO₂^–的积累，从而促进后续的anammox。例如，在C/N比为0–1.5的情况下，PD-A可以贡献70.4%-75.3%的氮去除率（Im等人，2025年；Yao等人，2023年）。相反，其他学者认为，在人工湿地中添加外部碳源（包括植物来源的碳和原始废水中的碳）可以增强PD-A过程的总氮（TN）去除效果，并通过耦合的PD-A途径协同提高反硝化效率（Sun等人，2022年；Zhan等人，2020年）。这可能归因于当碳源充足时，硝酸盐还原酶（Nar）和亚硝酸盐还原酶（Nir）之间的激烈电子竞争。在这种条件下，NO₃^–还原为NO₂^–的过程通常会更快进行，导致NO₂^–的积累（Feng等人，2025年；van Rijn等人，1996年）。然而，过高的COD/N比可能会促进完全的反硝化反应生成N₂（Im等人，2025年）。

这些发现揭示了关于人工湿地碳源和污染物浓度如何影响PD相关反硝化途径的持续争议。高负荷的人工湿地进水，如畜牧业废水，通常含有较高浓度的铵氮（NH₄⁺-N）、总氮（TN）和化学需氧量（COD）。这种高污染物负荷创造了与主流废水不同的富集环境，但这些负荷条件如何影响PD过程的建立和功能仍需进一步研究。此外，为了提高氮去除系统中PD的功能，类似于废水处理厂中的过程，大规模接种成熟污泥可能并不实用。因此，如何通过调节运行条件来富集功能性微生物群落将是需要解决的关键问题（Zhang等人，2022年）。

为了最大化利用高负荷进水碳源来提高人工湿地中的氮去除效率，本研究采用了可控的废水负荷调节方法来定向富集PD功能菌株。通过对微生物群落结构和关键菌株功能的多层次分析，我们系统地阐明了人工湿地中PD耦合增强氮去除系统的建立过程。因此，本研究的主要目标是：（1）研究进水污染负荷对湿地氮循环过程的影响；（2）分析在受控废水负荷条件下PD过程的空间分布及其潜在的氮去除机制；（3）验证人工湿地中典型PD细菌菌株的原位代谢活性和PD效率；（4）提出在受控进水负荷条件下人工湿地中PD耦合氮去除系统的建立模型。

部分内容摘录

湿地配置

在湖南省长沙市金井镇（28°30′N，113°18′E）建立了九个相同的表面流式人工湿地。每个湿地分为初级、次级和三级单元，每个单元的长度为5米，宽度为2米，水深为0.2米。这些湿地在间歇流条件下运行，水力负荷率为0.18立方米/天，总水力停留时间（HRT）为33天（每个单元11天），与之前的水产废水处理研究相当

氮去除效率

在基于Myriophyllum的人工湿地中建立了三个不同废水负荷的处理组：低负荷（LL）、中负荷（ML）和高负荷（HL），这些湿地稳定运行了304天。高负荷处理组的进水（畜牧业废水）含有较高的铵氮（250–500毫克/升），占总氮（TN）的65.67%-95.85%。中负荷和低负荷的进水分别通过将原始废水稀释至2/3和1/3的浓度来制备（图1a-c）。

结论

在低进水负荷调节下，人工湿地对总氮（TN）和NH₄⁺-N的去除效率更高。相反，高负荷促进了DNRA反应，加剧了NH₄⁺-N的积累，并压缩了功能性微生物的生态位。降低负荷则增强了群落稳定性，促进了如Pseudomonas和Flavobacterium等PD细菌菌属的富集。代表性的分离菌株

CRediT作者贡献声明

谢亚文：撰写——原始草稿，研究，数据管理。姜灿灿：方法学，概念化。徐胜军：监督，撰写——审阅与编辑。周汉昌：撰写——审阅与编辑。王鹏：研究，数据管理。杨阳：方法学。侯晓瑶：资源获取。郑晓旭：形式分析。庄旭亮：监督，撰写——审阅与编辑。