人工构建多细胞同步硝化反硝化菌群定向优化及其高效处理高氨氮废水的机制研究

针对自然微生物群落结构不稳定导致同步硝化反硝化(SND)效率低的问题，研究人员通过定向富集驯化构建了三种人工多细胞SND菌群（A、B、C）。结果表明，以Acinetobacter为核心的菌群B在混合氮源（NH4 + -N 350 mg/L）中48 h内TN去除率达75.84%，其关键酶AMO(0.6874 U/mg)和NAR(0.4530 U/mg)活性显著优于其他菌群。宏基因组分析揭示其通过氨同化(36.85%)、硝化(22.27%)与反硝化(25.03%)基因协同实现高效脱氮，工程化应用时TN去除率较自然菌群提升74%，为废水脱氮提供了合成微生物生态策略新范式。

　　

氮污染引发的富营养化是全球性环境挑战，而同步硝化反硝化(SND)技术因其能在单一反应器中实现完全脱氮，且较传统工艺节省25%曝气能耗和30%碳源需求而备受关注。然而，自然微生物群落在环境波动下存在显著功能不稳定性，例如温度、pH和营养盐浓度变化会导致群落结构失衡，限制SND技术的长期高效运行。现有研究多聚焦于单菌组合验证，对菌群整体功能设计、物种协同机制及动态平衡调控的系统性研究严重不足。

针对这一瓶颈，浙江科技学院的研究团队创新性地从污水处理厂不同工艺段（AT-BC转盘、曝气池、沉淀池）采样，通过七轮连续富集驯化获得三组人工多细胞SND菌群（A、B、C）。研究发现菌群B在混合氮源（NH₄
⁺
-N 350 mg/L + NO₃
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-N 120 mg/L）中表现出最优性能：48 h内NH₄
⁺
-N和总氮(TN)去除率分别达95.46%和75.84%，其TN去除速率是菌群A和C的1.10倍和1.16倍。关键酶活性检测揭示，菌群B的氨单加氧酶(AMO)和膜结合硝酸盐还原酶(NAR)比活性分别高达0.6874 U/mg和0.4530 U/mg，显著高于其他菌群。

宏基因组分析显示，菌群B以Acinetobacter（占比62.97%）为核心菌种，其氮代谢基因呈现多通路协同特征：上调基因中氨同化、硝化和反硝化通路分别占36.85%、22.27%和25.03%。这种代谢网络重构使其在实验室规模生物反应器中处理高氮废水（TN 924.77 mg/L）时，TN去除效率较对照组自然菌群提升74%。

关键技术方法
研究采用连续富集培养法从污水处理厂不同工艺段获取样本，通过氮平衡分析和酶活性检测（AMO/NAR）评估菌群功能，结合宏基因组学解析微生物组成与代谢通路。

研究结果

1. 菌群构建与性能比较：菌群B源于曝气池样本，经定向驯化后形成以Acinetobacter为主导的稳定群落，其TN去除速率显著优于其他菌群。
2. 代谢机制解析：酶活性与氮平衡数据证实菌群B通过强化AMO催化的硝化启动和NAR介导的反硝化终末步骤实现高效脱氮。
3. 基因调控特征：宏基因组揭示菌群B通过上调glnA（谷氨酰胺合成酶）、amoABC（氨氧化基因簇）和narGHI（硝酸盐还原酶基因）等关键基因形成代谢互补。
4. 工程应用验证：在处理实际高氮废水时，菌群B的脱氮效率较自然菌群提升74%，证实其环境鲁棒性。

结论与意义
该研究首次系统阐明了人工多细胞SND菌群的定向构建原理：通过工艺特异性富集获得功能互补菌种，以Acinetobacter为核心重构氮代谢网络，实现氨同化-硝化-反硝化通路的动态平衡。其创新性体现在：① 提出基于原位菌群资源的功能菌群合成策略；② 揭示AMO/NAR酶活性比值（1.52:1）是影响SND效率的关键指标；③ 为合成微生物生态学在废水处理领域的应用提供理论范式。研究成果发表于《International Biodeterioration》，为高氨氮废水处理提供了可工程化的微生物解决方案。