《Process Safety and Environmental Protection》：Mechanistic insights into nitrate metabolic rewiring in response to hydroxylamine via DNRA–anammox coupling
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摘要厌氧氨氧化（Anammox）是废水处理中关键的低碳脱氮途径，但硝酸盐的生成限制了高水平的脱氮。尽管已有报道称羟胺（NH?OH）可以调节 Anammox 活性，但其对后续 NO??-N 转化的影响及潜在机制仍知之甚少。本研究通过批次筛选和长期实验，调查了长期 NH?OH 刺
摘要
厌氧氨氧化（Anammox）是废水处理中关键的低碳脱氮途径，但硝酸盐的生成限制了高水平的脱氮。尽管已有报道称羟胺（NH?OH）可以调节 Anammox 活性，但其对后续 NO??-N 转化的影响及潜在机制仍知之甚少。本研究通过批次筛选和长期实验，调查了长期 NH?OH 刺激下 Anammox 系统的氮转化性能、电子传递特性和微生物群落响应。结果表明，5 mg/L NH?OH 使出水 NO??-N 减少了约 37%。活性和群落分析显示，NH?OH 增强了系统的电子传递能力，ETS 活性增加了约 27.8%，比厌氧氨氧化活性（SAA）增加了 16.6%。NH?OH 还与厌氧氨氧化菌和 DNRA 菌的同步富集以及 NO??-N 转化潜力的增加有关。宏基因组结果显示，在 5 mg/L NH?OH 刺激下，Anammox 基因hdh 的丰度增加了约 35.8%，而 DNRA 基因nrfA 和nrfH 的丰度分别增加了约 5.6% 和 2.9%，而诸如norB 等的反硝化基因未显示同步增强。这些结果表明 NO??-N 的还原与增强的 DNRA 密切相关。此外，MAG 分箱揭示，高度丰富的 Anammox MAG（如 bin.31）携带了与 DNRA 相关的基因。青霉素 G 实验进一步表明，NH?OH 具有刺激 Anammox 菌内源性 DNRA 的潜力。总之，低浓度 NH?OH 可能重塑电子流并促进 DNRA–Anammox 协同作用，从而促进 NO??-N 的转化，为优化基于 Anammox 的高水平脱氮提供理论依据。
引言
厌氧氨氧化（Anammox）被认为是一项关键的废水低碳脱氮技术，其优势包括能耗降低、污泥产量有限以及无需外源有机碳（Nawaz et al., 2026, Wang et al., 2026）。然而，在将铵氮（NH??-N）和亚硝酸盐氮（NO??-N）转化为 N? 的过程中，Anammox 也会产生硝酸盐氮（NO??-N）作为副产物，这限制了系统的整体脱氮效率（Ni et al., 2025, Singh et al., 2022）。因此，减少 NO??-N 的生成对于克服 Anammox 系统高水平脱氮的瓶颈至关重要。
在生物处理过程中，NO??-N 可以通过反硝化和硝酸盐异化还原为铵（DNRA）进一步转化（Jiang et al., 2023）。反硝化可以逐步将 NO??-N 还原为 N?，是废水处理中常见的硝酸盐去除途径；然而，在此过程中可能会积累 NO 和 N?O 等中间产物，这可能增加温室气体排放的风险（Li et al., 2022）。相比之下，DNRA 将 NO??-N 还原为 NO??-N/NH??-N，这些物质可以作为 Anammox 反应的底物被回收，从而为后续 NO??-N 转化提供了另一种可能性（Zhang et al., 2024c）。近年来，异养型 DNRA 菌与 Anammox 菌之间的底物互补相互作用引起了越来越多的关注（Xu et al., 2025）。除了这种种间耦合之外，Anammox 菌也可能利用胞内碳储备来支持 DNRA 相关的硝酸盐转化。先前的研究报告表明，在没有外源电子供体的情况下，Anammox 菌仍可持续 NO??-N 转化，并伴随胞内糖原的消耗；同时，通过糖酵解和 TCA 循环进行的糖原代谢可以产生 NADH 等还原当量（Wang et al., 2021, Wang et al., 2023）。基于这些发现，Wang 和 Qiao (2023) 进一步证明，NADH 携带的电子可以通过胞内电子传递链转移，以支持 NO??-N 逐步还原为 NO??-N，随后还原为 NH??-N。因此，胞内糖原代谢可能代表了 Anammox 菌内源性 DNRA 的重要还原力来源。
羟胺（NH?OH）是氮循环中的关键中间产物，也是 Anammox 代谢网络中的重要活性化合物（Soler-Jofra et al., 2021）。先前的研究表明，低剂量 NH?OH 有利于 Anammox 系统的启动、恢复和活性增强（Hu et al., 2011, Soler-Jofra et al., 2020, Zhang et al., 2022）。从代谢角度来看，NH?OH 可以参与 Anammox 菌中与肼相关的代谢，在此过程中，电子的释放与膜结合电子传递、ATP 合成和能量代谢密切相关（Soler-Jofra et al., 2020, You et al., 2025）。这种代谢特征表明，外源 NH?OH 具有调节 Anammox 细胞内还原力和电子传递状态的潜力。值得注意的是，Su 等人（2024）发现，在长期添加 NH?OH 的系统中，ΔNO??-N/ΔNH??-N 比值从 0.31 ± 0.03 降至 0.19 ± 0.00，这明显低于典型的 Anammox 化学计量比 0.26。因此，NH?OH 可能不仅促进主要的 Anammox 反应，还可能改变系统中副产物 NO??-N 的生成及后续转化。然而，NH?OH 刺激下 NO??-N 减少的具体转化机制仍缺乏充分了解。
基于此，本研究采用梯度浓度 NH?OH 的批次培养和长期运行的连续搅拌罐反应器（CSTR），系统地调查了 NH?OH 刺激下 Anammox 系统中 NO??-N 的生成变化及潜在转化机制。本研究旨在：(i) 阐明不同 NH?OH 浓度如何影响 Anammox 氮转化性能和 NO??-N 生成特性；(ii) 调查 NH?OH 刺激下 Anammox 菌与硝酸盐还原菌之间的底物转化和协同相互作用；(iii) 表征 NH?OH 刺激下核心功能物种的生态位分化，并提出一种由 NH?OH 介导的将 NO??-N 转化为可复用底物的代谢途径。此外，本研究提出了一种概念框架，构建以 NH?OH 为核心调节因子的 DNRA–Anammox 耦合脱氮系统，为克服 Anammox 副产物造成的限制并实现废水高水平脱氮提供理论支持。
章节片段
实验设置和操作条件
为了评估 NH?OH 如何影响 Anammox 系统中的氮转化性能和微生物群落演替，本研究采用了批次培养和 CSTR 实验。批次培养使用含有 200 mL 混合液的 250 mL 血清瓶进行，接种后将混合液挥发性悬浮固体（MLVSS）浓度调整为 1.8 g/L。培养前，通入高纯氮气 6 min 以消除溶解氧。培养在 35 °C 下进行，摇床转速为 150 rpm
不同 NH?OH 剂量下的批次除氮性能和生理特性
进行了为期 14 天的批次实验，以系统评估分级 NH?OH 浓度（0、1、5、10 和 20 mg/L）对 Anammox 系统中氮转化性能和生理代谢特性的影响。在运行期间，所有组中添加的 NH?OH 均被完全消耗；然而，各处理组之间的除氮性能观察到了明显的差异（图 S1）。在低至中等浓度（1–10 mg/L）下，系统维持了
结论
本研究系统地揭示了低浓度 NH?OH 对 Anammox 系统中 NO??-N 还原的调控效应及其潜在的微观机制。结果表明，5 mg/L NH?OH 的长期刺激使 Anammox 系统中出水 NO??-N 浓度从初期的 35 mg/L 降至 22 mg/L。NH?OH 的引入增强了系统的电子传递能力，并促进了的富集和协同作用
CRediT 作者贡献声明
Peng Wu：写作 – 审阅与编辑，验证，监督，项目管理，构思。Jianfei Xu：写作 – 初稿，可视化，方法论，调查，形式分析。Xiaonong Zhang：写作 – 审阅与编辑，验证，调查，数据管理。Wen Sun：写作 – 审阅与编辑，监督，形式分析。Xingxing Zhang：写作 – 审阅与编辑，可视化，形式分析。
利益冲突声明
作者声明没有已知的相互竞争的经济利益或个人关系，这些关系可能会影响本论文中报告的工作。
致谢
本工作得到了中国国家自然科学基金（51578353）和江苏省研究生科研与实践创新计划（KYCX25_3581）的资助。
利益冲突
本手稿此前未曾发表，且在审稿期间未提交至其他出版物。本手稿的提交不存在利益冲突，且手稿已获所有作者批准发表。我们真诚地感谢你们的时间和
Jianfei Xu|Xiaonong Zhang|Wen Sun|Xingxing Zhang|Peng Wu
