微曝气技术通过具有代谢多样性的发酵细菌，实现了厌氧消化器中内源性氮的去除

《Water Research》：Micro-aeration unlocks endogenous nitrogen removal in anaerobic digesters via metabolically versatile fermentative bacteria

　　

摘要

氨的抑制是高氮有机废弃物厌氧消化（AD）过程中的一个重要瓶颈。本研究采用了一个批处理反应器系统，该系统交替经历碳充足和碳限制的阶段，以探究脉冲微曝气（氧化还原电位峰值在?150至?50 mV之间）是否能够促进在整体厌氧条件下运行的厌氧消化器中将总氨氮（TAN）转化为N₂，同时阐明这一氮去除过程与甲烷生成之间的竞争关系。研究结合了反应器性能监测、¹⁵N稳定同位素追踪以及宏基因组和宏蛋白质组分析。与严格的厌氧对照组相比，脉冲微曝气组的TAN浓度显著降低，最大去除率为23.41 mg·L^-1·d^-1。同位素分析显示，大约82.49%的转化后的¹⁵NH₄⁺-N以¹⁵N_{2的形式存在，从而确认了TAN向N2的转化。NO2^-和NH2OH的短暂积累，加上NO3^-的积累未持续发生，以及Hao、Nir、Nor和Nos蛋白的表达增强，共同表明在该微曝气系统中涉及了羟胺/亚硝酸盐相关的途径与反硝化作用。这一氮去除过程主要由AD系统中的天然发酵/兼性异养细菌主导，包括Ottowia和Comamonas，这些细菌对碳的可利用性表现出明显的代谢灵活性。当碳充足时，氮的去除主要通过异养反硝化作用实现；在碳限制条件下，系统转向内源性维护模式，其特征是潜在的氢利用、细胞内储备（如聚羟基丁酸盐和脂肪酸）的动员以及乙醛酸循环。然而，微曝气激活氮去除的同时抑制了甲烷生成，导致每去除1 mg TAN会损失1.31–2.77 mL的甲烷。因此，提出了一种“主流甲烷生成–侧流微曝气氮去除”的模式，为开发能够缓解氨抑制的AD工艺提供了新的策略。}

引言

厌氧消化（AD）是回收有机固体废物的关键技术，在中国的双碳战略下越来越受到重视（Hoy等人，2023；Xing等人，2022）。然而，氨的抑制已成为处理含氮有机废弃物时限制AD稳定运行的关键瓶颈。包括硝化-反硝化、部分硝化-反硝化、厌氧氨氧化（Anammox）和铁氨氧化（Feammox）在内的生物氮去除技术因高效和成本效益而被广泛应用于 landfill渗滤液和城市废水处理（Xiong等人，2024；Zhao等人，2024）。然而，这些技术所需的反应条件与AD反应器的环境特性根本存在冲突：（1）硝化需要足够的溶解氧，而AD在严格的厌氧条件下进行（Kuypers等人，2018）；（2）反硝化和Anammox依赖硝酸盐或亚硝酸盐作为电子受体，但AD系统缺乏持续供给这些氧化态氮的途径（Su等人，2024）；（3）反硝化通常需要有机碳作为电子供体，这与AD的核心目标——将有机碳导向甲烷生成相矛盾（Peng等人，2025；Wang等人，2025）。此外，高浓度有机碳环境会抑制自养Anammox和Feammox相关微生物，从而限制了这些自养氮去除途径在AD反应器中的可行性（Cui等人，2025；Xia等人，2023；Zhao等人，2024）。鉴于这些限制，传统AD系统中总氨氮（TAN）的持续原位生物去除通常受到限制，导致TAN容易积累。在保持甲烷回收的同时实现原位和高效的TAN去除仍然是该领域尚未解决的工程和科学挑战。

近年来，关于强化AD过程的研究意外发现，微曝气虽然促进了水解和酸生成，但也显著降低了TAN水平。例如，Liu等人（2024）报告称，微曝气组的最大TAN浓度仅为对照组的75.60%，这一差异不能完全用氨的去除来解释。此外，低剂量氧气输入已被证明可以改变AD系统内的氧化还原状态、水解和酸生成过程以及氮的形态（Liang等人，2025）。与这些发现一致，我们之前观察到，在长期运行的食物废弃物AD反应器中，TAN浓度虽然总体上在积累，但偶尔会出现约28.94%–33.33%的突然下降（Peng等人，2018；Zhang等人，2022）。这些下降与意外的氧气侵入或偶尔的曝气事件时间上相符。然而，这些观察结果仍属于操作现象或相关证据。为阐明其背后的机制，本研究提出了一种假设：低剂量氧气输入可能在厌氧环境中引起暂时的氧化还原扰动，从而为氨的转化创造了反应窗口。然而，氨最终是否在微曝气下转化为N₂、哪些微生物参与了这一过程、它们的功能活动如何响应微曝气和碳的可用性，以及这一过程与甲烷生成之间是否存在权衡，都需要系统性的验证。

为系统地回答这些问题，本研究采用了一个交替经历碳充足和碳限制阶段的批处理反应器系统，以探究脉冲微曝气是否能够促进厌氧消化器中TAN向N₂的转化，并阐明这一过程与甲烷生成之间的权衡。研究结合了反应器性能监测、¹⁵N稳定同位素追踪、计算流体动力学（CFD）辅助的氧化还原分析、胞外聚合物物质（EPS）表征以及宏基因组和宏蛋白质组分析。最初，使用了一个多相、控制良好的模型系统来阐明与微曝气诱导的氮去除相关的基本模式和微生物机制。随后，在高氨条件下（3167.44 mg·L^-1）进行了独立验证实验，以评估这一过程在真实抑制环境中的适用性。本研究旨在提供对微氧驱动的AD中原位氮去除的全面理解，从而为开发能够缓解氨抑制的下一代AD工艺奠定科学基础。

章节片段

原料、接种物和同位素示踪剂

使用合成食物废弃物作为原料，并根据实际食物废弃物的特性制定了制备方法（Ye等人，2024）。原料由蔬菜、肉类、熟米饭和果皮按湿重比分别为40%、15%、25%和20%组成。合成食物废弃物的元素组成、碳氮（C/N）比及其他物理化学性质详见补充表2.1。接种物...

微曝气诱导“甲烷-氮”功能转变

微量氧的引入成功启动了氨的生物转化，同时显著抑制了甲烷生成，从而确立了甲烷生产和氮去除之间的基本权衡（图2a和2b）。

在基质充足的启动阶段（阶段I），MG组的TAN浓度显著低于CK组（p < 0.001，图2a，补充表2.2）。这表明...

脉冲微曝化为AD中的氮去除创造短暂的生态窗口

传统废水处理中的生物氮去除依赖于稳定好氧和厌氧环境的建立。在这项研究中，每天应用一次低频率脉冲曝气，在反应器内产生短暂的非稳态微曝气事件。每次曝气脉冲期间及之后，局部溶解氧和ORP暂时增加，形成动态且迅速衰减的微氧梯度（图4b）。尽管这种梯度持续存在...

结论

脉冲微曝气有效地激活了AD系统中氨氮向N₂的转化，而没有破坏整体的厌氧环境。¹⁵N同位素追踪证实，大约82.49%的转化后的¹⁵NH₄⁺-N以¹⁵N_{2的形式存在，确立了N2作为氮转化的主要终端产物。关键的功能执行者不是传统的硝化菌或反硝化菌，而是天然的发酵/兼性异养细菌...}

作者贡献：CRediT

林培:撰写——原始草稿，数据分析，概念化。李雷:撰写——审阅与编辑，资金获取，项目管理，监督。叶文杰:方法论，可视化。黄佳琪:方法论，可视化。刘勇丽:概念化，可视化。段超然:方法论，可视化。詹斌:方法论，可视化。郭尚邦:方法论，可视化。彭旭娅:方法论，可视化。

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的报告。

致谢

本研究得到了中国国家自然科学基金（项目编号52470139）和重庆市自然科学基金（项目编号CSTB2024NSCQ-QCXMX0088）的支持。

林培 | 李雷 | 叶文杰 | 黄佳琪 | 刘勇丽 | 段超然 | 赵斌 | 郭尚邦 | 彭旭娅中国重庆市重庆大学环境与生态研究所三峡库区生态环境重点实验室，重庆400045