低温环境下耐冷菌群M2高效脱氮机制及在污水处理中的应用研究

针对低温（≤15?℃）导致污水处理系统脱氮效率下降的难题，研究人员通过富集耐冷菌群M2（含Comamonas、Pseudomonas等优势菌属），解析其通过分泌EPS（胞外聚合物）和上调冷休克基因（如cpsA）实现高效同步硝化反硝化（SND）的机制。该菌群对NH4 + -N、NO3 – -N去除率达97%以上，为寒冷地区污水处理提供新型生物强化策略。

　　

随着城市化进程加速，生活污水排放已成为地表水污染的主要来源，其中氮污染对生态系统和公共健康构成严重威胁。传统生物处理工艺（如A²
/O、SBR）在低温环境下面临严峻挑战——当水温低于15?℃时，硝化菌和反硝化菌的活性显著降低，导致NH₄
⁺
-N和TN去除效率分别下降15%和45%。这一现象源于低温会破坏微生物细胞膜流动性、抑制电子传递链，并影响DNA复制等关键生理过程。尽管已有研究尝试利用单菌株改善低温脱氮，但其生态稳定性差且适应性有限。

针对这一瓶颈，中国研究人员从低温水生环境中富集出耐冷菌群M2，系统研究其在低温下的脱氮性能与分子机制。研究发现该菌群能通过合成不饱和脂肪酸和胞外聚合物（EPS）抵抗冷应激，同时携带冷休克基因（如cpsA）增强环境适应性。相关成果发表于《Bioresource Technology》，为寒冷地区污水处理提供了创新解决方案。

研究采用宏基因组学分析菌群功能基因，结合氮转化动力学实验，在pH7.5、C/N=10条件下评估不同氮源（NH₄
⁺
-N、NO₃
^–
-N等）去除效率。菌群来源于中国南方冬季水体沉积物，通过Vickers盐溶液培养基富集培养。

Enrichment of the bacteria consortium
从低温水体沉积物中分离出M1和M2两组菌群，使用含丁二酸钠的培养基进行定向富集。M2菌群在40小时内将NH₄
⁺
-N浓度从77.04?mg/L降至2.05?mg/L，去除率达97.34%。

Denitrification characteristics at low temperatures
以NH₄
⁺
-N为唯一氮源时，M2表现出同步硝化反硝化（SND）特性，NO₃
^–
-N和NO₂
^–
-N去除率分别达97.13%和59.92%。宏基因组分析揭示其优势菌属（Pseudomonas、Comamonas）携带硝酸盐还原酶（narG）和亚硝酸盐还原酶（nirS）基因。

Conclusions
M2菌群通过三条机制实现低温高效脱氮：①分泌EPS保护细胞结构；②调节膜脂不饱和度维持流动性；③激活冷休克蛋白基因网络。该研究首次阐明耐冷菌群通过代谢-遗传协同适应低温环境的规律，其生物强化技术可提升A²
/O工艺在寒冷季节的运行稳定性。

讨论指出，相比单菌株系统，M2菌群的微生物共生关系使其具有更强的环境韧性和功能冗余度。未来研究可进一步优化其在实际污水厂的接种策略，并探索其与现有工艺的兼容性。该成果对实现"双碳"目标下的可持续水处理具有重要实践价值。