利用丝瓜海绵促进高效厌氧氨氧化菌富集：物理滞留、缓释碳源与代谢协同作用的结合效果

《Bioresource Technology》：Facilitating efficient anammox bacteria enrichment with loofah sponge: coupled roles of physical retention, slow-release carbon supply, and metabolic synergy

　　

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  丝瓜海绵促进了厌氧氨氧化（anammox）过程的快速启动和厌氧氨氧化菌（AnAOB）的富集。
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  丝瓜海绵将Candidatus Brocadia的丰度从0.03%提高到了17.1%。
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  EPS中的高PN/PS比例增强了微生物的聚集，并有利于AnAOB的富集。
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  丝瓜海绵的生物降解作用支持了微生物的碳转化和跨物质营养。

引言

传统的硝化-反硝化过程依赖硝化菌和反硝化菌将废水中的氨氮转化为无害的氮气（Hao等，2022年）。然而，在实际运行中，这一过程需要大量的曝气和外部有机碳的补充，导致运营成本高、剩余污泥产生量大以及温室气体排放增加（Du等，2020年；Wang等，2023年）。在全球低碳经济发展的背景下，传统硝化-反硝化过程的经济可行性和环境可持续性面临着越来越大的挑战。

厌氧氨氧化（anammox）技术的出现为上述问题提供了解决方案（Zhang等，2026年）。厌氧氨氧化菌（AnAOB）能够在厌氧条件下直接将NH₄⁺-N和NO₂^?-N转化为N₂和水（Kang等，2023年）。与传统硝化-反硝化过程相比，anammox过程可减少大约60%的曝气能耗，降低90%的剩余污泥产生量，并显著降低N₂O的排放风险（Du等，2026年；Nawaz等，2026年）。因此，anammox被认为是低碳废水处理的关键技术。anammox过程的稳定性取决于AnAOB的成功富集和稳定生长（Li等，2022年）。然而，由于AnAOB是自养微生物，生长速度慢、世代时间长，对环境条件敏感，且容易被水流冲走（Li等，2025年；Zhang等，2025年），因此anammox系统的启动周期通常较长，其运行稳定性也难以维持（White等，2025年）。这些技术瓶颈严重阻碍了anammox的工程应用。因此，高效且经济可靠的AnAOB富集方法以及缩短启动周期仍然是推动anammox技术广泛应用的关键挑战。

为了富集AnAOB，已经采取了多种策略，包括将活性污泥固定化为生物膜或颗粒污泥以提高微生物的停留时间，以及补充外部碳源以通过共生异养菌间接支持AnAOB的生长（Li等，2026年；Yan等，2024年）。在采用环糊精作为载体后，AnAOB的丰度达到了对照组的3.2倍（Zhang等，2024年）。此外，与仅添加载体相比，颗粒污泥进一步提高了生物量的混合效率（Adams等，2022年）。然而，惰性载体仅提供了物理附着位点，而anammox颗粒内部的空腔会导致污泥漂浮，从而影响运行稳定性并造成微生物流失（Tan等，2020年）。此外，过大的颗粒会阻碍底物传递，颗粒结构本身也不稳定（Wang等，2020a）。添加有机碳可以同时富集部分反硝化菌和AnAOB；然而，精确控制剂量仍然具有挑战性，因为过量的碳会导致异养菌过度生长，与AnAOB竞争底物并抑制anammox过程（Liu等，2025年）。因此，探索优化策略以实现高效的AnAOB富集、促进生物量增殖和维持功能稳定性仍然是当务之急。

可生物降解的天然生物质因其同时作为物理载体和缓释碳源的双重功能而受到关注（Wu等，2026a）。丝瓜海绵具有多孔的三维网络结构和粗糙的表面，可以为微生物附着提供有利条件（Lin等，2018年）。在厌氧条件下，其缓慢降解可以释放来自纤维素和半纤维素的可溶性有机化合物（Yu等，2025年）。丝瓜海绵缓慢释放的碳可能支持共生异养菌（如纤维素降解菌），通过代谢跨物质营养机制（如氧气清除、毒素减少和维生素供给）间接维持AnAOB的活性和生长。因此，丝瓜海绵在促进AnAOB富集方面具有理论潜力。不过，其在anammox系统中的长期效果和作用机制仍不完全清楚。

基于以上考虑，本研究开发了一个实验室规模的向上流式生物过滤器（UBF）反应器，在其下部填充了丝瓜海绵，并评估了其在连续运行145天内的氮去除性能。通过宏基因组测序分析了反应器内微生物群落结构和关键功能基因丰度的变化，阐明了丝瓜海绵添加在AnAOB富集中的作用。这种方法为农业废弃物增值和低碳氮去除技术的协同发展提供了可行的路径，从而推动了anammox过程向经济高效、环境可持续的方向发展。

章节摘要

反应器设置和运行条件

本研究使用丝瓜海绵来促进AnAOB的自我富集。设计并构建了一个有效工作体积为3升的UBF反应器。丝瓜海绵被填充在反应器的下部，以有效保留生物量和促进生物膜的形成。本研究使用的丝瓜海绵来自中国河南省郑州市的一个农业基地，在使用前进行了干燥处理。反应器的上部填充了空白球形填料。

氮去除的长期性能

anammox系统连续运行了145天，进水中的NH₄⁺-N和NO₂^?-N浓度分别保持在约40毫克/升和50毫克/升。根据氮去除性能的变化，整个运行过程可以分为三个阶段：第一阶段（第1-41天）、第二阶段（第42-71天）和第三阶段（第72-145天）。

结论

本研究探讨了使用丝瓜海绵从硝化-反硝化污泥中富集AnAOB并启动anammox过程的可行性。主要结论如下：

• (1)
  丝瓜海绵的加入促进了anammox过程的快速启动，在稳定运行期间（72-145天），系统的平均TIN（总氮）和NH₄⁺-N去除效率分别达到了66.8%和99.6%。
• (2)
  丝瓜海绵显著促进了AnAOB的富集。

CRediT作者贡献声明

Jiantao Ji：撰写——审稿与编辑。 Jinying Du：撰写——初稿。 Feiyue Hu：数据分析。 Guanqi Wu：数据验证。 Lanhua Liu：实验调查。 Lele Wang：数据管理。 Bo Shen：方法论设计。 Xuefeng Wei：数据分析。

利益冲突声明

本研究得到了国家自然科学基金（42377375）、河南省杰出青年自然科学基金（252300421194）和河南省重点研发与推广项目（项目编号：252102321058）的支持。

Jiantao Ji | Jinying Du | Feiyue Hu | Guanqi Wu | Lanhua Liu | Lele Wang | Bo Shen | Xuefeng Wei