利用直接氨氧化菌与异养硝化-好氧反硝化菌群，通过生物炭辅助藻-菌协同生物强化技术强化去除水产养殖废水中的氮

《Bioresource Technology》：Enhanced nitrogen removal from aquaculture wastewater by biochar-assisted algal–bacterial bioaugmentation using direct ammonium-oxidizing and heterotrophic nitrification–aerobic denitrifying bacterial consortium

　　

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  生物炭辅助藻菌系统将出水总氮降至2.8 mg·L^?1。
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  生物炭改变了絮体–载体界面的电化学特性。
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  生物炭将生物强化系统中的电荷转移电阻降低至18.7 kΩ。
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  生物强化后，与不动杆菌属（*Acinetobacter*）和小球藻属（*Chlorella*）相关的类群丰度更高。
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  生物强化生物炭系统中dnfA基因丰度提高了5.3倍。

引言

全球人口增长和生活水平提高持续推高对优质水产品的需求，加速了水产养殖业的扩张。然而，集约化水产养殖需要大量饲料投入并产生持续排放的废水，而高蛋白饲料的低氮保留率导致大量氮通过未被摄食的饲料和粪便流失（Ahmad et al., 2021; Huang et al., 2024）。实际水产养殖废水中含有多种无机氮形态，包括氨氮（NH₄⁺–N）、亚硝酸盐氮（NO₂^?–N）和硝酸盐氮（NO₃^?–N），在不同养殖系统中的报道浓度范围分别为：NH₄⁺–N约0.03–72 mg·L^?1，NO₂^?–N约0.03–30 mg·L^?1，NO₃^?–N约0.38–97 mg·L^?1（Kashem et al., 2023）。其排放可能损害水生生物并促进水体富营养化和生态系统退化（Santorio et al., 2021）。因此，实现稳定高效的氮去除仍是可持续水产养殖面临的主要挑战之一（Liu et al., 2024a）。

目前，水产养殖废水的氮控制主要依赖换水和水处理末端治理，但它们的处理效果往往不够稳定。水产养殖废水中易生物降解碳源有限且氮负荷波动较大，而许多生物处理系统在曝气条件下运行（Yang et al., 2025）。这种有限的碳源可用性通常表现为较低的COD/TN比，在生物废水处理中一般认为COD/TN低于3即为低碳氮比条件（Liu et al., 2020）。藻菌系统被认为具有广阔的应用前景，因为它可以在以好氧为主的环境下实现污染物去除与资源回收的耦合（Geng et al., 2024; Sutherland and Ralph, 2019; Wang et al., 2022a; Wang et al., 2023）。然而，由于还原当量不足以及与氧气的竞争，在低碳氮比条件下NO₂^?和NO₃^?的还原仍然受限（Li et al., 2023a; Li et al., 2023b; Satanwat et al., 2020; Yang et al., 2025）。因此，需要额外的氮转化途径来提高以好氧为主的藻菌系统中的氮去除效率。

在此背景下，异养硝化–好氧反硝化（HN-AD）和直接氨氧化（Dirammox）提供了在好氧条件下涉及氨转化的互补途径（Tian et al., 2025; Wu et al., 2021）。HN-AD将异养硝化与好氧反硝化耦合，但其反硝化步骤仍然依赖于电子供体的可用性（Xie et al., 2023; Zhang et al., 2021a）。Dirammox则代表了一条独特的有氧途径，可直接或间接将氨转化为N₂。由dnfABC基因编码的DnfA/B/C多酶系统介导N-羟基化和水解以形成羟胺，随后羟胺被DnfA/B氧化为N₂（Wu et al., 2021; Miao et al., 2023）。然而，Dirammox与HN-AD的整合如何影响藻菌系统中的氮转化和途径分布，目前尚缺乏深入了解。

除了引入互补的氮转化途径外，反应器的性能还受到微生物空间组织和生物质聚集体内微环境发育的影响（Pekkoh et al., 2022）。生物炭已被广泛应用于生物脱氮系统中，因为其多孔结构可提供附着位点和受保护的微生境，而表面官能团可调节局部氧化还原条件并促进电子传递（Liu et al., 2017; Zhang et al., 2021b）。这些特性可能为藻菌系统中功能微生物的保留和代谢活性提供有利条件。然而，目前关于生物炭辅助脱氮的研究证据主要来自缺氧或厌氧系统，而在曝气处理条件下生物炭的作用相对较少受到关注（Jin et al., 2025; Paritosh and Kesharwani, 2024）。在曝气处理条件下，生物炭能否在生物强化藻菌系统中提供超越微生物固定的额外效益，目前仍不明确。

基于上述背景，本研究开发了一种将生物炭与Dirammox/HN-AD菌群耦合的藻菌序批式反应器（SBR），用于处理低碳氮比水产养殖废水。具体而言，本研究旨在：(i) 评估集成系统在低碳氮比条件下的脱氮性能；(ii) 表征与生物强化和生物炭添加相关的絮体微环境、电化学特性、氧化还原辅因子状态及细胞内能量代谢的变化；(iii) 探究这些响应与氮转化途径及微生物功能之间的关系。综合分析为开发高效、可持续的低碳氮比水产养殖废水生物脱氮策略提供了基础。

各章节摘要

进水与接种物

本研究的进水为合成水产养殖废水，通过将市售鱼饲料悬浮于去离子水中配制而成（Yang et al., 2022）。磁力搅拌5分钟后静置15分钟，取上清液作为基础进水。CH₃COONa（41.9 mg·L^?1）作为可溶性碳源，NH₄Cl（22.54 mg·L^?1）、NaNO₃（55.75 mg·L^?1）和NaNO₂（8.28 mg·L^?1）作为氮源供给。KH₂PO₄（18.39 mg·L^?1）作为磷源添加

各序批式反应器构型中的色素积累与污染物去除

四种反应器构型间的色素积累表现出明显的时间差异模式（图2a）。在第10至30天期间，ABS中叶绿素a增加了0.7 mg·L^?1，而AS中仅增加0.2 mg·L^?1，与生物强化后早期色素积累更快的趋势一致。到第60天，ABS-BC中叶绿素a和叶绿素b浓度分别达到2.9和1.3 mg·L^?1，较ABS分别高出15%和29%。总体而言，生物强化与更快的早期色素

结论

本研究开发并评价了一种以Dirammox/HN-AD菌群生物强化的生物炭辅助藻菌序批式反应器，用于低碳氮比水产养殖废水处理。ABS-BC取得了最佳性能，总氮最大去除率达88%，稳定出水总氮平均浓度为2.8 mg·L^?1。生物炭带来的提升在生物强化系统中大于在活性污泥系统中，表明对生物炭的响应随生物

CRediT作者贡献声明

米煜维（Yuwei Mi）：撰写——初稿，研究方法，形式化分析。谢琳娜（Linna Xie）：形式化分析，数据管理。胡启兴（Qixing Hu）：研究方法，概念设计。刘东博（Dongbo Liu）：调查研究。郑一杰（Yijie Zheng）：验证，研究方法。胡智泉（Zhiquan Hu）：撰写——审阅与编辑，资金获取。

利益冲突声明

作者声明不存在可能影响本文所述工作的已知竞争性经济利益或个人关系。

米煜维（Yuwei Mi）|谢琳娜（Linna Xie）|胡启兴（Qixing Hu）|刘东博（Dongbo Liu）|郑一杰（Yijie Zheng）|胡智泉（Zhiquan Hu）