硫代硫酸盐介导的 AOA 模式人工湿地中通过增强缺氧糖原消耗实现的 PAO-GAO 竞争

《Journal of Water Process Engineering》：Thiosulfate-mediated PAO-GAO competition via enhanced anoxic glycogen consumption in AOA-mode constructed wetland

　　

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  硫代硫酸盐增强了碳限制（C/N = 3）条件下 AOA 模式人工湿地中氮和磷的去除。
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  在 AOA-CW 系统中，当投加量为 40 mg S/L 时，实现了最佳的磷去除效率（88.15%）。
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  添加硫代硫酸盐诱导了更多的缺氧糖原消耗，从而抑制了 GAOs 的活性。
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  在硫代硫酸盐介导的 AOA-CW 中，传统的 PAOs（Candidatus Accumulibacter, Dechloromonas），而不是 SOBs，是主要的除磷细菌。

引言

磷被认为是导致自然水体富营养化的限制因素 [1]。在中国，来自生活、畜禽和非点源农业的农村废水占地表水氮（N）和磷（P）输入量的 60% 以上 [2]。为了确保生态环境的可持续性，减少磷输入水生生态系统对水环境保护至关重要。人工湿地（CWs）作为农村废水处理污水处理厂（WWTPs）的替代方案，凭借其低建设成本和生态效益等实际优势，在全球范围内迅速普及。然而，CWs 中氮和磷的去除效率（尤其是磷）通常限制在 50% 左右 [3]。因此，如何有效提高 CWs 的除磷效率仍然受到公众的关注。

与传统基质吸附相比，EBPR（强化生物除磷）技术已证明在 CWs 中除磷更具可持续性和效率，这是因为富集了聚磷菌（PAOs）[4]。例如，近年来，一种将 EBPR 与 SNED（同步硝化与内源反硝化）耦合的新型 SNEDPR（同步硝化内源反硝化与除磷）工艺已应用于 CWs [5]。然而，由于 PAOs 和聚糖菌（GAOs）具有相似的碳源摄取机制，PAOs 通常在碳限制条件（C/N?< 4）下被 GAOs 竞争淘汰，导致除磷效率低下 [6]。

电子供体添加（如葡萄糖）是碳限制废水处理中增强氮和磷去除的最常见策略 [7]。然而，这种方法不可避免地会导致处理成本的大幅增加 [8]。为了应对这一挑战，硫化合物（如硫酸盐和硫代硫酸盐）已作为电子载体被开发并广泛使用，因为它们易于获得、具有生物可用性和成本效益。它们的应用不仅包括通过硫自养反硝化过程去除氮 [9]，[10]，还包括通过反硝化硫转化相关强化生物除磷（DS-EBPR）过程去除磷 [11]。

然而，关于硫化合物对 PAOs 活性的影响，研究中存在不同观点。一些研究报告称，传统 PAOs（如 Candidatus Accumulibacter、Dechloromonas 和 Tetrasphera）很少在活性污泥系统中发现，其中除磷主要由硫代谢细菌（SMB）[12]，[13]，[14] 主导，包括硫酸盐还原菌（SRB）和硫氧化菌（SOB）。一些 SMBs，如 Thiothrix caldifontis [15] 和 Beggiatoa [16]（称为 S-PAOs），能够在厌氧条件下将硫代硫酸盐/硫酸盐还原形成多硫化物（poly-S）并将其细胞内封存。随后，它们在随后的好氧/缺氧阶段分解储存的多硫化物以产生能量用于除磷。相反，Suazo 等人 [17] 发现，在补充了硫代硫酸盐的颗粒污泥系统中，传统 PAOs 不仅得以保留，还与 GAOs 和 SMBs 建立了平衡的共存关系，实现了高达 98–99% 的除磷效率。因此，硫化合物对 PAOs 活性的影响及其潜在的调节机制尚不清楚，特别是在 CW 系统中。

硫代硫酸盐在农业中已被广泛用作硫肥料和植物生长调节剂，以及在水产养殖中用作 pH 调节剂 [18]，[19]。因此，产生了大量含有硫代硫酸盐的废水，这些废水需要有效处理。研究表明，硫代硫酸盐可以在生物地球化学反应中作为电子供体，并最终被氧化为硫酸盐 [20]。在碳限制废水处理中，PAOs 需要额外的电子供体。同时，没有研究发现 GAOs 可以使用硫代硫酸盐作为电子载体。因此，这表明硫代硫酸盐可能在调节 CWs 中 PAOs 和 GAOs 的竞争方面发挥重要作用。

因此，本研究旨在调查硫代硫酸盐对碳缺乏 CWs 中氮、磷去除和 PAO-GAO 竞争的长期影响。具体目标如下：（i）确定不同硫代硫酸盐浓度在碳限制条件下对氮和磷去除的长期影响，（ii）通过确定不同硫代硫酸盐浓度下细胞内聚合物（PHA, Gly, poly-P 和 poly-S）的动态变化，分析氮和磷去除效率的潜在机制，（iii）使用 16S rRNA 测序分析不同硫代硫酸盐浓度下除磷效率与微生物群落结构变化之间的相关性，以及（iv）通过宏基因组分析揭示 C、N、P 和 S 的生物转化途径，以阐明硫代硫酸盐是否可以在低碳条件下调节 CWs 中 PAO-GAO 竞争。

章节摘要

垂直流人工湿地

实验室规模的垂直流 CW 接种了来自中国广州市大坦沙城市污水处理厂的活性污泥。它已持续运行在 C/N = 6（~240 mg/L COD, 40 mg/L NH₄⁺-N, 5 mg/L PO₄^3?-P）的条件下，采用厌氧 - 好氧 - 缺氧（AOA）模式超过 300 天。在未添加硫代硫酸盐的情况下，TN 和 TP 的去除效率分别保持在约 99% 和 91%。

硫代硫酸盐对氮和磷去除效率的长期影响

研究了硫代硫酸盐对氮和磷去除效率的长期影响在

总体 C、N 和 P 去除性能

为了确定在不同 C/N 比率和碳源缺乏以及硫代硫酸盐投加量下 C、N、P 的去除性能，检测了三个阶段四个反应器的长期营养素浓度变化（图 2a, b, c 和 d），总氮（TN）和总磷（TP）去除效率（图 2e），以及同步硝化与内源反硝化（SND）效率（图 2f）。

根据 C、N 和 P 的长期浓度变化，在

结论

本研究展示了硫代硫酸盐如何影响碳限制 AOA-CWs 中 GAO 和 PAO 的活性。首次验证了硫代硫酸盐投加量可以增强 AOA-CWs 中 GAOs 的后缺氧 Gly 降解来调节微生物竞争。本研究的主要发现总结如下：

• 1.
  在碳限制 AOA-CW 系统中，由硫代硫酸盐还原产生的 poly-S 储存在生物膜中，并在好氧阶段与 PHA 一起作为额外的电子供体，

CRediT 作者贡献声明

陈洁玉：写作 – 审阅与编辑，写作 – 原稿，方法论，数据整理。黄有达：方法论，形式分析。魏先玲：调查。杨山：方法论，调查，数据整理。周少峰：监督，项目管理。徐美英：监督，项目管理，方法论，资金获取。

利益冲突声明

在此，我声明所有报告的工作都是原始的；所有共同作者声明他们没有已知的可能影响本文报告工作的竞争性经济利益或个人关系。如果被接受。此外，所有现行的当地、国家和国际法规与公约，以及正常的科学伦理实践，都得到尊重，手稿呈现的是未在其他地方发表或正在考虑发表的原工作，在

致谢

这项工作得到了 广东省基础与应用基础研究项目基金（编号：2025B515130001）；广东省特支计划杰出人才项目（2023J007L096）；广东省特支计划青年拔尖人才项目（NYQN2025009）；广东省青年英才特支计划（2024TQ08A621）；广东省科学院科技发展专项（2022GDASZH-2022010101）的支持。

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