基于批次测定与高通量测序联用的污水厂氮去除全流程监控：微生物互作机制与工艺优化策略

为解决传统监测方法难以捕捉微生物动态变化的问题，Weronika Borowska团队通过10个月的全规模污水厂监测，结合批次测定与NGS技术，揭示了NOB(亚硝酸盐氧化菌)抑制与丝状菌减少的关联性，证实SRT(污泥停留时间)是调控Nitrospira丰度的关键因素，为污水厂优化脱氮工艺提供了微生物学依据。

　　

在污水处理领域，高效去除氮化合物始终是保护水生生态系统的核心挑战。传统污水处理厂(WWTP)虽然采用成熟的硝化-反硝化工艺，但面临两个突出难题：常规监测仅能获得间接的微生物活性指标，而实验室规模的研究结果往往难以直接应用于实际工程。更棘手的是，当处理厂出水中突然出现亚硝酸盐(N-NO₂^-)异常积累时，仅凭常规运行参数根本无法追溯其微生物学成因。这些瓶颈严重制约着污水处理工艺的精准调控与优化升级。

波兰华沙理工大学的Weronika Borowska团队在《Journal of Water Process Engineering》发表的研究，开创性地将批次活性测定与新一代测序(NGS)技术相结合，对华沙某日处理43.5万立方米的大型污水厂进行了为期10个月的跟踪监测。研究团队每月采集活性污泥样本，通过四类标准化批次测试——氨氧化速率(AOR)、亚硝酸盐氧化速率(NOR)、硝酸盐还原速率(NaRR)和亚硝酸盐还原速率(NiRR)测定，同步结合16S rRNA基因测序分析微生物群落结构。这种"功能-结构"双轨研究策略，首次在全规模处理厂层面揭示了亚硝酸盐积累的微生物学机制。

关键技术方法包括：从全规模生物反应器按月采集活性污泥样本；建立标准化的四类批次测试体系，严格控制MLSS(混合液悬浮固体)2.0 g/L、DO(溶解氧)2.5 mg/L等参数；采用Genomic Mini AX Bacteria+试剂盒提取DNA，通过Illumina平台对16S rRNA基因V3-V4区测序；利用CLC Genomic Workbench进行OTU聚类和α多样性分析；通过相关性分析探究工艺参数与微生物指标的关联性。

微生物活性动态方面，研究揭示前三个月NOR急剧下降92%，稳定在0.5 mg N/g VSS?h水平，仅为氨氧化速率的1/12.4。这种NOB抑制现象与污水处理厂出水中N-NO₂^-浓度升高7倍的数据高度吻合。值得注意的是，批次测试显示亚硝酸盐还原菌(NiRB)活性未受抑制，排除反硝化受阻的可能性，确证问题源自硝化过程的"短路"现象。

微生物群落演变显示，丝状菌Chloroflexi在前两月占比32%后骤降至平均11%，其丰度变化与NOR呈强相关(r=0.81)。通过PCoA分析将10个月群落结构划分为三个特征阶段，其中第3-8个月的群落特征与NOB活性显著降低期完全对应。研究首次发现Nitrospira丰度与SRT存在强相关性(r=0.86)，多元回归证实SRT是影响该菌的关键参数(p=0.01)。

机制解析方面，研究提出三重作用假说：SRT缩短直接导致慢生长的Nitrospira被洗出；Chloroflexi减少破坏菌胶团结构，间接影响NOB生存微环境；Candidatus Competibacter(2.83%)等菌属可能通过不完全反硝化加剧亚硝酸盐积累。这些发现解释了为何在冬季低温条件下仍能维持稳定的亚硝酸盐积累现象。

该研究构建了"参数-功能-菌群"的监测新范式，其创新价值体现在三方面：实践上，建立标准化批次测试方案，使污水厂能快速识别NOB抑制等异常；理论上，阐明SRT通过Nitrospira调控亚硝酸盐转化的新机制；应用上，提出通过控制SRT在10天以下可强化NOB抑制，为实施短程硝化工艺提供操作窗口。研究团队建议将批次测试纳入常规监测，并冷冻保存样本以备分子验证，这种"快筛+精检"策略可大幅提升污水厂的精细化管理水平。

这项研究突破了传统监测方法的局限性，将污水处理工艺优化从"黑箱操作"推进到"微生物组工程"的新阶段。特别是发现Chloroflexi与NOB的功能共生关系，为理解复杂菌群互作提供了新视角。未来研究可结合qPCR靶向检测功能基因，并引入¹⁵N同位素示踪技术，进一步解析氮转化网络中的微生物分工与协作机制。