间歇式甘油供给调控微生物表型塑性实现高效反硝化（denitratation）的机制研究

本研究通过对比间歇式（SBR）与连续流（UASB）反应器，揭示了甘油供给模式驱动微生物群落代谢表型分化（如糖原储存能力）的机制，阐明了硝酸盐还原酶（NAR）与亚硝酸盐还原酶（NIR）活性失衡促发“顺序反硝化（sequential denitrification）”的电子分配策略，为厌氧氨氧化（anammox）主流工艺的碳源调控提供了新范式。

　　

Highlight

本研究揭示了一种基础机制：间歇性甘油供给通过引导代谢通量流向糖原储存，进而调控硝酸盐还原酶（NAR）和亚硝酸盐还原酶（NIR）之间的电子分配。这凸显了基因型潜力与实现表型之间的显著差异，为控制工程生态系统中的氮转化途径提供了新范式。

INTRODUCTION

由于厌氧氨氧化（anammox）细菌能够以亚硝酸盐作为电子受体将铵直接转化为N₂，基于anammox的短程氮去除为升级传统生物脱氮（BNR）工艺提供了可持续路径（Zhang等，2020c）。尽管部分硝化（PN）与anammox的耦合在降低曝气消耗、碳源需求和污泥产量方面具有显著优势，但PN的高效稳定性能仍面临挑战。

Bioreactor Set-Up and Operation

一个SBR（体积=5.2 L，直径=15 cm）和一个UASB（体积=1.5 L，直径=8 cm）在室温（22±2°C）下运行以富集反硝化（denitratation）细菌。每个反应器最初接种了来自中国杭州市某市政污水处理厂的2.0 g悬浮固体（SS）/L活性污泥。SBR以50%的体积交换比运行，每天8个周期，采用定时控制的序列：进水（5分钟）、搅拌（140分钟）、沉降（20分钟）和排水（5分钟）。

Reactor Performance and Sludge Characteristics

两个接种活性污泥的反应器在碳限制条件（COD/NO₃^?-N = 3.5，图1）下运行了四个月以研究反硝化性能的转变。在第一个运行阶段（第0-60天），两个反应器均投加30 mg-N/L的硝酸盐。经过15天适应期后，UASB和SBR反应器的出水亚硝酸盐浓度分别稳定在2.8±1.5 mg-N/L和14.5±1.8 mg-N/L。由于SBR中亚硝酸盐积累更高，其反硝化效率（NiAE）达到43.0±4.1%，显著高于UASB的18.9±5.4%。

Mechanistic Insights into Glycerol-driven Denitratation

本研究揭示了一种基础机制：底物输送的物理模式塑造了微生物群落的代谢表型，最终决定了工程生态系统中氮的归宿。SBR中更高且稳定的亚硝酸盐积累并非随机结果，而是间歇性“盛宴-饥荒” regime选择出的进化策略的直接后果。在这种动态条件下，能够短暂“盛宴”期快速捕获底物并将其储存为内部聚合物（如糖原）的微生物具有选择性优势。

CONCLUSIONS

本研究表明，碳供给模式是塑造甘油营养型反硝化群落功能的关键因素。主要结论如下：

(1) 在SBR中实施的间歇性底物投加相较于UASB中的连续投加显著增强了亚硝酸盐积累。这种效应主要由选择具有独特糖原储存表型的微生物群落驱动，即使在整体碳限制条件下也是如此。