低温下基于氧化还原介体调控废水溶解性有机氮及其富营养化潜能的分子与微生物机制

随着污水处理厂氮排放标准日益严格，溶解性有机氮（DON）已成为比无机氮更重要的水体富营养化诱因。针对低温条件下DON控制难题，南京大学团队通过添加氧化还原介体HNQ（2-hydroxy-1,4-naphthoquinone），使后反硝化生物反应器在8°C时DON浓度最高降低64%，并通过FT-ICR MS和藻类生物测定证实其有效减少易降解DON组分。该研究为寒冷地区污水处理厂提供了一种低成本原位升级方案，成果发表于《Bioresource Technology》。

　　

在全球污水处理厂不断升级氮排放标准的背景下，一个隐藏的威胁逐渐浮出水面：溶解性有机氮（DON）正在取代无机氮成为水体富营养化的主要推手。尤其令人担忧的是，寒冷气候下微生物活性降低，导致污水处理系统产生更多易降解的DON组分——这些物质就像藻类的"营养快餐"，在低温环境中能刺激比常温条件下更严重的藻类增殖。传统解决方案如酵母强化活性污泥或人工湿地，或因操作复杂，或因成本高昂，难以大规模应用。面对这一困境，南京大学环境学院的研究团队将目光投向了一种小巧而强大的分子武器：氧化还原介体HNQ。

这项发表于《Bioresource Technology》的研究，创新性地利用2-羟基-1,4-萘醌（HNQ）的电子传递特性，在模拟寒冷环境（8°C）的后反硝化生物反应器中展开实验。研究人员采用三组平行反应器，分别添加0、0.1和0.15 mM HNQ，通过长达95天的运行监测DON变化。结合超高分辨率傅里叶变换离子回旋共振质谱（FT-ICR MS）解析DON分子组成，并运用16S rRNA测序和偏最小二乘路径模型（PLS-PM）揭示微生物响应机制。

关键实验技术
研究团队构建了三组实验室规模的后反硝化生物反应器，接种来自南京某污水厂缺氧段活性污泥，在8°C下连续运行5个污泥龄（SRT）。通过监测化学需氧量（COD）和硝酸盐去除率确定稳态后，采用FT-ICR MS对DON进行分子特征解析，结合藻类（Raphidocelis subcapitata）生物测定评估富营养化潜能。微生物群落分析通过Illumina测序平台完成，并运用Mantel检验和分子生态网络分析揭示DON转化与微生物的关联。

Effluent DON浓度
实验数据显示，添加0.1 mM和0.15 mM HNQ的反应器分别实现64.2%和58.9%的DON去除率。FT-ICR MS揭示HNQ显著减少了易降解DON组分：脂类、蛋白质/氨基糖类和碳水化合物类分子丰度下降40-60%。藻类生物测定证实，处理组DON刺激的藻类生物量比对照组降低52%，验证了富营养化风险的有效控制。

微生物机制解析
PLS-PM路径分析显示HNQ通过双重途径发挥作用：直接改变微生物群落结构（β=?0.95，p<0.01），同步调控功能基因表达（β=?0.97，p<0.01）。网络分析发现HNQ促进Electrophorus和Denitratisoma等电活性菌富集，这些菌株能利用HNQ作为电子穿梭体加速碳源代谢，从而减少微生物产物型DON的积累。

Conclusion
该研究首次证实微量化HNQ即可在低温条件下重塑污水处理系统的微生物电子传递网络，通过"菌群-功能-分子"三级调控机制切断DON富营养化链条。相较于传统工艺改造，这种方案仅需在现有后反硝化装置中投加微量（0.1 mM）HNQ，即可实现污水处理厂的"低成本抗寒升级"，为解决寒冷地区季节性水体富营养化问题提供了创新思路。