基于氧化石墨烯海绵辅助的单阶段部分硝化-反硝化（anammox）系统在盐度增加条件下的微生物适应性与恢复力的宏基因组学研究

《Bioresource Technology》：Metagenomic insights into microbial adaptation and resilience of single-stage partial nitritation–anammox systems assisted by graphene oxide sponges under increasing salinity

　　

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  一种由GOS辅助的单级硝化/反硝化（PN/A）系统能够耐受高达12,000 mg/L的NaCl盐度。
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  GOS创造了保护性生境，增强了微生物的适应性。
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  生物膜的形成和EPS的分泌有助于缓冲渗透压力。
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  盐度的耐受性依赖于调控机制而非基因组适应。
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  微环境工程改善了稳定的自养氮去除效果。

引言

厌氧氨氧化（anammox）是一种高效且节能的生物氮去除技术。由于其不需要有机碳源、产生的污泥量少、能耗低以及温室气体排放少等优点，它在废水处理中展现出显著的应用潜力（Du et al., 2022）。与传统的好氧化-反硝化过程相比，anammox过程可以将氧气需求降低60%，污泥产生量减少90%，使其成为废水处理的理想选择（Lackner et al., 2014, Wu et al., 2025）。在食品加工、制药制造和纺织印染等行业产生的废水中，盐度通常较高，NaCl浓度可达5–50 mg/L（Zhang et al., 2021）。盐度应力会对氨氧化菌（AOB）和厌氧氨氧化菌（AnAOB）产生不利影响，导致生物量减少、NO₂^–-N积累受阻，最终影响氮去除效果（Chen et al., 2015, Li et al., 2026）。

盐度应力通过物理化学和生物学效应损害单级部分硝化/反硝化（PN/A）系统的性能（Zhu et al., 2023, Jiang et al., 2026）。离子浓度的升高会增加外部渗透压，导致细胞脱水并破坏膜完整性和细胞内稳态。同时，过量的钠和其他离子会干扰跨膜离子梯度、电子传输和酶活性，从而降低功能性微生物的代谢活性（Jiang et al., 2025）。先前的研究表明，盐度的增加会改变AnAOB种群的数量和组成，而长期的适应可能部分恢复anammox的活性（Lin et al., 2021; Zhang et al., 2021）。重要的是，盐度对AOB、AnAOB和亚硝酸盐氧化菌（NOB）可能产生不同的抑制作用，从而改变亚硝酸盐的生产和消耗平衡，导致亚硝酸盐限制或硝酸盐积累（Liu et al., 2020）。

因此，已经探索了几种方法来提高基于anammox过程的盐度耐受性。逐渐适应盐度的方法被广泛使用，并已证明可以在高盐度下恢复anammox活性（Zhang et al., 2021, Feng et al., 2024）。然而，长期的适应可能需要几个月的时间，其效果很大程度上取决于接种物的特性和适应策略。其他方法包括添加相容的溶质或其他保护性化合物以减轻渗透应力，但这些干预会增加运行成本，并可能向自养系统中引入额外的底物或化学负担（Naufal et al., 2022, Fang et al., 2026, Xu et al., 2025）。总体而言，这些策略主要集中在提高微生物的生理耐受性上，而对改造PN/A联盟的物理栖息地和生态结构以促进长期适应盐度的关注较少。

功能性载体提供了一种潜在的解决方法，可以通过同时提高生物量保留和创建结构化的微生物栖息地来克服这一限制（Li et al., 2025, Liu et al., 2025）。其中，氧化石墨烯海绵（GOS）具有独特的三维多孔结构、高比表面积和优异的生物相容性，为生长缓慢的自养微生物提供了有利的附着位点。我们之前的研究表明，GOS作为微生物载体可以增强PN/A系统中的氮去除效果（Wu et al., 2026）。然而，关于GOS辅助的单级PN/A系统如何应对逐渐增加的盐度，以及载体相关的生物膜发展如何与微生物群体的生理和生态响应相关联，目前了解仍然不足。因此，本研究旨在探讨在逐步增加NaCl浓度条件下GOS辅助的PN/A系统的长期性能。通过比较不同盐度阶段的反应器性能，并结合生理学、微生物群落和宏基因组分析，本研究旨在描述与盐度适应相关的响应，并探索GOS相关微生物组织在过程韧性中的潜在作用。这些发现可以为开发适用于高盐度氮富集废水的稳健载体辅助PN/A过程提供机制见解。

章节片段

实验设置

构建了一个实验室规模的 airlift 内循环分隔生物反应器（AIPBR），有效工作体积为5.4 L。GOS由福建海峡工业石墨烯技术研究院（中国泉州）提供，并按照之前的研究（Wu et al., 2026）以2%（v/v）的剂量引入反应器。通过细气泡扩散器在底部提供通风，气流速率由转子流量计控制。

AIPBR的长期运行性能

该反应器连续运行了164天。如图1A所示，第一阶段的出水pH值始终较低，但在第二至第四阶段尽管盐度增加，pH值仍保持相对稳定。因为硝化作用会产生质子，而anammox过程会消耗质子并有助于碱度的恢复（Chen et al., 2023），所以出水pH值反映了这两种过程之间的平衡（Jin et al., 2012）。第一阶段较低的pH值，以及随后的pH值升高和NH₄⁺-N浓度的波动：

结论

在盐度逐渐增加的情况下，GOS辅助的AIPBR系统保持了有效的自养氮去除效果，最大测试盐度达到了12,000 mg/L，恢复瞬态性能障碍后的氮去除率（ARE）超过了98%。盐度耐受性与GOS支持的生物膜形成、EPS积累、生物量保持以及耐盐功能微生物的富集有关。宏基因组分析进一步表明，该系统具有环境感知能力：

CRediT作者贡献声明

Sha Wu： 编写——原始草稿、研究、概念构思。Yijie Quan： 可视化、研究。Fei Gao： 验证、数据管理。Lixiu Shi： 编写——审阅与编辑、研究。Zhihua Liu： 验证、方法学。Zhiqiang Shen： 资源、数据管理。Elsayed Ali Elsayed Ali：. Ashokkumar Veeramuthu： 可视化、数据管理。Hong Chen： 监督、资源、研究。

未引用参考文献

Su et al., 2024, Yang et al., 2023.

利益冲突声明

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。

致谢

本工作得到了湖南省自然科学基金（2025JJ60347）、湖南省教育厅（25C0087）、人力资源和社会保障部（H20240365）、国家关键研发计划（2026YFE0155400）和湖南省水利科学技术项目（XSKJ2025056-34）的支持。

Sha Wu|Yijie Quan|Fei Gao|Lixiu Shi|Zhihua Liu|Zhiqiang Shen|Elsayed Ali Elsayed Ali|Ashokkumar Veeramuthu|Hong Chen