不同挥发性脂肪酸驱动下反硝化除磷污泥的亚硝酸盐应激响应机制与菌群动态解析

针对亚硝酸盐( NO2?–N )抑制反硝化除磷( DPR )系统稳定性的难题，研究人员通过对比丙酸钠( R1 )与乙酸钠( R2 )为碳源的污泥体系，发现两者耐受阈值分别为20和30 mg/L，并揭示丙酸代谢通过能量优势维持DPAO活性，而乙酸体系依赖DGAOs协同解毒的代谢分工机制，为优化污水处理工艺提供理论依据。

　　

随着全球水资源短缺问题加剧，污水处理的低碳高效技术成为研究热点。其中，反硝化除磷(Denitrifying Phosphorus Removal, DPR)技术能同步去除氮磷，大幅降低能耗和碳源需求，成为替代传统强化生物除磷(EBPR)的潜力方案。然而，该技术在实际应用中面临关键瓶颈——作为电子受体的亚硝酸盐( NO₂^?–N )在浓度过高时会转化为游离亚硝酸(FNA)，对功能微生物如反硝化聚磷菌(DPAOs)产生毒性，导致系统崩溃。更复杂的是，不同碳源类型可能通过改变微生物代谢途径，影响体系对亚硝酸盐的耐受能力，但这一机制尚未明确。

针对这一科学问题，中国的研究团队在《Journal of Environmental Management》发表最新成果。研究人员设计了两组以丙酸钠(R1)和乙酸钠(R2)为唯一碳源的序批式反应器，通过阶梯式提高 NO₂^?–N 浓度、调整投加模式和延长缺氧时间等策略，系统解析了碳源类型对DPR系统抗亚硝酸盐胁迫能力的影响机制。研究采用高通量测序技术追踪微生物群落演变，结合胞内聚合物(PHA/糖原)代谢分析，揭示了不同碳源驱动的差异化应激响应策略。

关键技术方法包括：1) 构建平行SBR反应器进行长期驯化；2) 分阶段调控 NO₂^?–N 胁迫强度；3) 监测污染物去除效能与动力学参数；4) 采用气相色谱分析PHA组分；5) 16S rRNA测序解析菌群结构。

污染物去除性能
在 NO₂^?–N ≤20 mg/L时，R1系统展现更高除磷效率(93.6%)，而R2在30 mg/L时仍保持稳定。但当浓度升至50 mg/L，两者效率分别下降至41.2%和58.7%，证实丙酸体系在低胁迫下优势明显，乙酸体系则具备更强的高胁迫缓冲能力。

代谢响应特征
丙酸体系的DPAOs通过缓慢但稳定的PHA降解维持代谢活性，其3-羟基戊酸(3HV)占比达82.4%，显著高于乙酸体系(54.1%)。这种代谢模式减少了糖原依赖，通过丙酰辅酶A途径产生更多还原力(NADH)，增强抗胁迫能力。而乙酸体系则表现为DGAOs快速动员PHA进行内源反硝化，优先解毒后再由DPAOs完成除磷，形成代谢分工。

微生物群落演变
高通量测序显示R1优势菌为Flavobacterium(24.71%，潜在DPAO)，R2则以Candidatus Competibacter(15.61%，典型DGAO)为主。这种菌群分异直接关联到代谢通路差异：丙酸促进DPAO富集，乙酸则选择出具有强解毒能力的DGAOs。

该研究首次阐明不同VFA类型通过重塑微生物群落结构，驱动DPR系统形成截然不同的亚硝酸盐应激策略。丙酸碳源更适合低胁迫环境，而乙酸体系在高胁迫下通过菌群协作维持功能。这一发现为污水处理厂碳源选择提供了精准指导——需根据进水氮负荷特点匹配最佳碳源类型。研究提出的"代谢分工"理论突破了传统单菌种调控思路，为复杂环境胁迫下的微生物群落功能优化开辟了新视角。