《Water Research》：Bioinspired intestinal niche engineering enables
in situ production of volatile fatty acids for enhanced denitrification in low C/N wastewater treatment
编辑推荐：
•通过生态位工程，BIMR 实现了高效的水解-反硝化耦合。•BIMR 在原位将淀粉转化为挥发性脂肪酸（VFAs），作为反硝化的生物可利用碳。•使用淀粉的 MBR-BIMR 能够实现类似醋酸的反硝化，氮去除率可达 80.41%。•BIMR 丰富了水解/发酵细菌，并增强了系统的模块化
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通过生态位工程，BIMR 实现了高效的水解-反硝化耦合。
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BIMR 在原位将淀粉转化为挥发性脂肪酸（VFAs），作为反硝化的生物可利用碳。
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使用淀粉的 MBR-BIMR 能够实现类似醋酸的反硝化，氮去除率可达 80.41%。
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BIMR 丰富了水解/发酵细菌，并增强了系统的模块化。
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BIMR 加强了发酵与反硝化过程的分工，提高了系统稳定性。
引言
异养反硝化被广泛用于生物废水处理中的氮去除；然而，其效率通常受到易生物降解有机碳供应不足的限制，尤其是在 C/N 比值较低的废水中（Zhang 等人，2024 年）。为了克服这一限制，通常会添加外部碳源（例如醋酸（Ahmed 等人，2023 年）或甲醇（Lu 等人，2018 年）。尽管这些方法有效，但会显著增加运营成本，并可能影响废水处理的可持续性（Kosgey 等人，2022 年；Li 等人，2025a 年）。因此，开发不依赖昂贵外部碳源的、具有成本效益的反硝化策略仍然是一个关键挑战（Owusu-Agyeman 等人，2023 年）。
低成本且广泛可获得的聚合物或复杂碳源，如淀粉和其他有机废物（Deng 等人，2025 年；He 等人，2022 年），作为易生物降解碳的替代品引起了越来越多的关注。然而，由于这些碳源的生物可用性低以及典型的厌氧条件下水解-酸化过程不足，它们被反硝化细菌的利用效率低下（Wang 等人，2022 年）。此外，在许多废水中，包括市政废水，超过 50% 的有机物以颗粒态和胶体态存在（Xu 等人，2021 年），这进一步突显了水解和发酵在提高氮反硝化过程中碳生物可用性方面的重要性。先前的研究尝试通过侧流发酵、预发酵罐或分阶段厌氧过程将复杂有机物转化为挥发性脂肪酸（VFAs）来解决碳生物可用性不足的问题（Fu 等人，2023 年；Zhang 等人，2026 年）。然而，这些策略通常需要额外的反应器体积和基础设施，而且碳生成与碳消耗之间的空间分离限制了整体碳利用效率。
从生态学角度来看，复杂碳的低效利用与同一混合液中的水解/发酵细菌（HFB）和反硝化细菌的共存密切相关（Carlson 等人，2020 年）。在这种条件下，HFB 经常暴露于硝酸盐、溶解氧以及快速生长的异养生物的竞争之下，这些都抑制了 HFB 的活性（Gan 等人，2025 年）。因此，产生的 VFAs 不足以支持高效的反硝化。因此，创造有利于 HFB 的专用生态位，同时保持与反硝化菌的有效代谢物交换，可能是提高碳转化效率和反硝化性能的有效策略。
自然生态系统为这种生态位工程提供了宝贵的灵感（Halim 等人，2021 年；Jiang 等人，2025 年；Wan 等人，2023 年）。其中，人体肠道是一个高效的水解和发酵复杂膳食聚合物的系统。在封闭的管状环境中，密集的微生物群落不断将这些聚合物水解和发酵为可溶性代谢物，包括乙酸、丙酸和丁酸等短链脂肪酸（Liang 等人，2022 年；Shalon 等人，2023 年）。这一功能依赖于密集的、专业化的微生物群落和底物的空间保留，使得局部发酵和可利用代谢物的持续生产成为可能（Mukherjee 等人，2024 年；Valencia 等人，2025 年）。我们借鉴了这些特点，而不是试图复制肠道的生理复杂性，设计了一个结合了管状封闭、底物和微生物保留以及复杂碳向可扩散代谢物局部转化的工程化发酵生态位。将这种受肠道启发的生态位引入废水处理系统，可能为提高复杂碳向生物可利用电子供体的转化提供了一条有希望的途径。
在这项研究中，开发了一种受肠道启发的微反应器（BIMR），并将其集成到厌氧/好氧膜生物反应器（A/O-MBR）中。BIMR 在封闭的管状空间内物理保留了 HFB 和复杂碳底物，同时允许发酵产物扩散到周围的反硝化区域。我们假设这种空间生态位工程策略可以在 HFB 和反硝化微生物之间建立代谢分工，从而增强水解-反硝化耦合，并在低 C/N 条件下提高氮去除效率。为了验证这一假设，我们评估了 (i) BIMR 将复杂碳转化为 VFAs 的能力，(ii) 它对反硝化性能的影响，以及 (iii) 支配微生物群落组装、生态位分化和代谢相互作用的生态机制。研究结果为基于微生物组的生态位工程在可持续废水处理和资源高效利用方面提供了新的见解。
章节摘录
反应器设置和操作
开发了一种仿生肠道微反应器（BIMR），以模拟封闭的肠道环境（Li 等人，2020 年），其局部发酵和代谢物传递过程与肠道中的类似（图 1b）。BIMR 由十六个相同的单管膜组成，总内腔体积为 0.16 升。每个管膜的内径为 0.80 厘米，长度为 20 厘米，孔径为 10 纳米，有效过滤面积为 50.24 平方厘米。
BIMR 对反应器性能和氧化还原条件的影响
图 2 展示了 MBRs 在长期运行过程中的氮和有机物去除性能。如图 2a 所示，NH4+-N 的去除效率从 69.81% 提高到 82.78%，从 66.26% 提高到 80.18%，并在启动期间逐渐提高。这一改进表明硝化功能得到了逐步完善，使得两个 MBR 的系统运行性能趋于一致。之后，将 BIMR 添加到 MBR-E 中以监测其影响。
局部发酵克服了碳生物可用性的限制
碳缺乏通常被认为是低 C/N 废水中生物氮去除的主要限制。因此，大多数工程解决方案都集中在通过外部补充来增加碳剂量（Kosgey 等人，2022 年）。然而，我们的结果表明，根本问题可能不在于碳的数量，而在于碳的生物可用性。尽管淀粉含有丰富的有机碳，但由于其
结论
本研究表明，受肠道启发的生态位工程是一种有效的方法，通过从复杂底物中局部生成生物可利用碳来增强水解-反硝化耦合。通过将微尺度碳转化模块集成到传统的厌氧/好氧膜生物反应器中，该系统建立了自给自足的内部碳供应途径，在碳缺乏的情况下支持稳定的生物氮去除。
未引用的参考文献
Dueholm 等人，2022 年
CRediT 作者贡献声明
吴英欣：写作 – 审稿与编辑，撰写原始草案，可视化，方法论，研究，数据分析，数据管理。傅月：撰写原始草案，可视化，方法论，研究，数据管理，概念化。徐荣华：写作 – 审稿与编辑，监督，概念化，资金获取。刘思瑶：研究，数据管理。李静轩：研究。张子月：数据管理。李家鹏：写作 – 审稿与编辑，监督。
作者声明他们没有已知的利益冲突或个人关系可能影响本文所述的工作。
本项目得到了广东省基础与应用基础研究基金（编号 2024B1515040015 和 2025A1515011928）、国家自然科学基金（编号 32161143031、22376228 和 22576245）以及广州市科技创新计划（编号 2025B03J0059）的支持。
吴英欣|傅月|徐荣华|刘思瑶|李静轩|张子月|李家鹏|余忠|孟芳昂
