高硫酸盐盐度胁迫下，反硝化系统对兼容溶质添加与移除反应的依赖性（涉及营养模式的影响）

《Journal of Water Process Engineering》：Trophic-mode-dependent responses of denitrification systems to compatible solute amendment and withdrawal under high-sulfate salinity stress

　　

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  在硫酸盐盐度为3–5%的条件下，混合兼容性溶质增强了反硝化作用
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  高盐度条件下，CS（兼容性溶质）诱导了依赖营养模式的群落重构
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  反硝化稳定性与ATP相关，而非NADH电子供应
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  硫氧化菌群和异养菌群表现出相互排斥的转录模式

引言

含盐的硝酸盐废水广泛产生于石油精炼、纺织品染色、海鲜加工和芥末生产等领域，其盐度范围从0.1%到12%不等[1]、[2]、[3]、[4]。这类废水通常含有多种无机离子，包括Na⁺、Cl^?、SO₄^2?、Ca²⁺、Mg²⁺和HCO₃^?，具体成分取决于工业来源[5]、[6]。大多数关于盐水生物处理的研究都集中在以NaCl为主体的盐度上[7]、[8]、[9]，然而在许多工业废水中，硫酸盐也是主要的盐分贡献离子[10]。例如，来自石化厂的脱硫和反硝化废水通常含有高浓度的硝酸盐（NO₃^?约为200 mg L^?1

由于成本效益高和二次污染少，生物反硝化仍然是去除硝酸盐的最实用方法[12]。高盐度会对反硝化生物膜造成渗透压应力和离子特异性毒性，使关键还原酶失活，并经常导致亚硝酸盐积累，从而限制反硝化效果[5]、[13]、[14]。在可用的途径中，基于硫的自养反硝化（SAD）可以在不添加外部碳的情况下同时消除氮和硫，但受生长速率慢和启动时间长的限制[15]。异养反硝化（HDN）虽然在动力学上更有优势，但在碳氮比（C/N）低的情况下依赖外部碳，增加了操作复杂性和成本[16]。混合营养反硝化（MDN）结合了有机和无机电子供体，提供了代谢互补性和更好的操作灵活性。因此，多代谢耦合策略越来越被认为是处理含盐废水的有效方法[17]。

为了进一步提高系统的稳定性，人们广泛探索了生物刺激剂来提高微生物活性和耐盐性。这些刺激剂包括外源碳源、B族维生素和兼容性溶质[18]、[19]、[20]。碳底物主要通过提供能量来支持盐耐受性[21]，而兼容性溶质（CS）是指在高渗透压条件下可以在细胞内积聚且不会干扰正常代谢的低分子量有机溶质，它们通过维持细胞膨压和稳定蛋白质及膜（如海藻糖和甘氨酸）直接增强渗透抵抗性[14]。与单一成分补充相比，复合生物刺激剂通常表现出更优越的效果[22]。例如，在高盐度系统（80 g L^?1 NaCl）中，混合碳源在碳氮比为3时实现了超过95%的总氮去除率，而单独使用葡萄糖则需要更高的碳氮比才能达到类似的效率[23]。值得注意的是，与传统碳源不同，CS在不增加有机负荷的情况下增强了反硝化作用，从而最小化了副产物的形成并提高了过程稳定性[19]、[22]。尽管取得了这些进展，仍有两个关键问题尚未解决。首先，尚不清楚像海藻糖和甘醇这样的兼容性溶质是通过渗透保护和改善能量耦合来缓解高硫酸盐盐度压力的，还是它们的效果主要归因于其作为可代谢有机底物的作用。其次，由于不同的营养模式依赖于不同的电子供体和能量产生途径，CS的添加和撤回对SAD、MDN和HDN系统的影响可能存在根本性差异。

我们之前的研究已经确定海藻糖和甘醇是改善启动过程、稳定性和耐盐性的有效物质[9]，但它们在不同代谢机制中的作用仍不清楚。在这项研究中，我们使用海藻糖和甘醇作为代表性的兼容性溶质，系统地比较了高硫酸盐盐度下的SAD、MDN和HDN系统。通过整合反应器性能、添加-撤回测试、宏基因组学、宏转录组学和生理分析，我们旨在（i）确定混合CS的效果是否可与可代谢碳底物的效果区分开来，（ii）识别氮转化过程中的限速步骤，（iii）揭示控制微生物适应性的营养模式依赖性调控策略。这项工作为优化高硫酸盐含盐废水处理中的反硝化作用提供了理论基础。

章节片段

材料

作为接种物的活性污泥来自一家处理富含硫酸盐和硝酸盐废水的完整规模石化废水处理厂。悬浮载体（高密度聚乙烯，25 × 10 mm，19个孔，比表面积为350 m² m^?3）购自Youlan Environmental Technology Co., Ltd。SAD、MDN和HDN系统的各种合成废水配方包括0.36 g L^?1 KNO₃（50 mg N L^?1）、0–1.07 g L^?1 Na₂S·9H₂O（0–142.5 mg S^2? L^?1）、1 g L^?1 NaHCO

连续流反应器中的长期反硝化性能

图2展示了三种连续流反应器处理高盐度废水的长期性能。在混合CS添加的第一阶段，所有系统都实现了完全的硝酸盐去除。在混合CS添加的3%盐度条件下，三个反应器均实现了完全的硝酸盐去除。TN（总氮）去除率在RS中为98.50% ± 2.06%，在RM中为98.54% ± 2.57%，在RH中为98.34% ± 1.97%。RH的平均COD（化学需氧量）去除率为55.65% ± 18.89%

结论

本研究表明，混合兼容性溶质（海藻糖和甘醇）有效缓解了高硫酸盐盐度压力，使三种反硝化系统在3%盐度下都能实现超过90%的TN去除率。然而，在去除CS后，营养模式决定了系统的恢复能力。HDN系统保持了稳定的反硝化作用，TN去除率超过90%，而MDN系统则受到不可逆的抑制，TN去除率低于20%，SAD系统则表现出

CRediT作者贡献声明

Hanshi Wang:撰写 – 原始草稿，可视化，软件开发，实验研究，数据管理。Shijie Jiang:实验研究，数据管理。Zhijuan Tian:资源获取，实验研究，概念构思。Junmei Cheng:资源获取，实验研究，概念构思。Guangfeng Yang:撰写 – 审稿与编辑，实验研究，概念构思。Lijuan Feng:撰写 – 审稿与编辑，监督，资源管理，方法学研究，资金获取，概念构思。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。

致谢

本工作得到了中国石油河南炼化有限公司的支持。

(HXKJ2026068)

Hanshi Wang|Shijie Jiang|Zhijuan Tian|Junmei Cheng|Guangfeng Yang|Lijuan Feng