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传统生物脱氮技术耗能高、碳源需求大，部分硝化技术潜力大但在城市污水中受限。研究人员探究不同化学需氧量与氮比值（COD/N）下的氮转化和微生物相互作用。发现 COD/N 为 3 时亚硝酸盐积累率达 65.8%，还确定了关键物质和微生物。为污水治理提供理论依据。
在污水处理的世界里，传统的生物脱氮技术就像一位年迈的 “老将”，虽然经验丰富，但也有着明显的短板。像硝化 - 反硝化技术，不仅耗能高，对碳源的需求也很大，这让污水处理的成本居高不下。而新兴的部分硝化 - 反硝化、部分硝化 - 厌氧氨氧化等技术，宛如初出茅庐的 “新秀”，展现出了巨大的潜力，有望解决传统技术的难题。这些新技术的核心在于实现部分硝化，也就是要让氨氧化的活性高于亚硝酸盐氧化。然而，在实际的城市污水治理中，部分硝化技术却遇到了重重阻碍。城市污水中氨浓度较低，难以有效抑制亚硝酸盐氧化菌（NOB）的活性，而且处理水量大、水质波动频繁，使得通过调节操作参数来实现稳定的亚硝酸盐积累变得异常困难。
为了攻克这些难题，来自未知研究机构的研究人员展开了深入的探索。他们提出了一个大胆的假设：或许可以通过微生物之间的胞间通信，让低 COD/N 的城市污水实现并维持稳定的部分硝化。为了验证这个假设，研究人员进行了一系列实验，最终取得了令人瞩目的成果。他们的研究成果发表在《Bioresource Technology》上，为污水处理领域带来了新的曙光。
研究人员采用了多种关键技术方法。首先，他们搭建了三个相同的实验室规模序批式反应器（SBR），通过长期运行，模拟不同的生物可利用有机物浓度环境。在实验过程中，对活性污泥的群落结构和细胞外信号分子动态进行量化分析，同时结合进出水水质参数和微生物共现网络，深入探究其中的调控机制。此外，还进行了外源酰基高丝氨酸内酯（AHLs）添加实验，以明确信号分子与部分硝化形成之间的因果关系 。
COD/N 调节氨氧化菌（AOB）和亚硝酸盐氧化菌（NOB）之间的活性差异
研究人员发现，进水化学需氧量（COD）浓度的不同，对亚硝酸盐积累动态有着至关重要的影响。在三个系统长期运行过程中，NH4+-N 的去除效率始终保持在 98% 以上。在实验的前 50 天，所有系统都维持着完全硝化状态。之后，H 系统在第 60 天实现了亚硝酸盐积累，亚硝酸盐积累率（NAR）达到 65.8%±9.1%；M 系统则在第 88 天达到了 40.9%±3.7% 的 NAR；而另一个系统却一直没有明显的亚硝酸盐积累现象。这表明，不同的 COD/N 比值会对氨氧化菌（AOB）和亚硝酸盐氧化菌（NOB）的活性产生不同的影响，进而影响亚硝酸盐的积累。
关键微生物和信号分子的确定
通过进一步研究，研究人员确定了一些在部分硝化过程中发挥重要作用的微生物和信号分子。优势菌种 Thauera 和 Ca. Accumulibacter 作为群体感应（QS）的介导者，能够通过生物合成和感知 AHLs 来调节自身的代谢过程，从而推动活性污泥群落中的种间相互作用。此外，研究还发现，C6-HSL 和 3-OXO-C12-HSL 这两种 AHLs 在部分硝化过程中扮演着关键角色。外源添加 AHLs 的实验表明，C6-HSL 能够促进硝化活性，而 C12-OXO-HSL 则会抑制硝化活性。并且，AHLs 对 NOB 的调节作用比对氨氧化菌（AOB）更强。
研究结论和讨论
这项研究深入探究了进水 COD/N 比值影响部分硝化的调控机制。当 COD/N 比值为 3 时，异养细菌的富集增强了种间竞争。Thauera 和 Ca. Accumulibacter 等微生物通过 AHLs 介导的群体感应，调节自身代谢和种间相互作用，最终促进了部分硝化过程。确定的关键信号分子 C6-HSL 和 3-OXO-C12-HSL，为进一步理解微生物胞间通信与部分硝化之间的关系提供了重要线索。
该研究成果具有重要的意义。它为城市污水处理中实现部分硝化提供了新的理论依据，让人们可以通过调节微生物群落的自我调节能力来优化污水处理过程。这不仅有助于提高污水处理效率，降低处理成本，还为未来开发更加环保、高效的污水处理技术奠定了基础。同时，研究中确定的关键微生物和信号分子，也为后续研究提供了新的靶点，有望通过精准调控这些靶点，进一步提升部分硝化技术在实际污水处理中的应用效果。
