《Journal of Environmental Chemical Engineering》：Regulation drives self-enrichment of anammox sludge： insight from macro performance and micro metabolic mechanisms
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摘要厌氧氨氧化（anammox）是一种高效且低碳的脱氮技术；然而，厌氧氨氧化菌种污泥的长期短缺严重限制了其实际工程应用。本研究证明，通过使用合成功能微生物群落的方法并精确调控关键驱动参数（具体为溶解氧（DO）水平0.2–0.5 mg·L–1和碳氮比0.3），可以有目的地驯化和
摘要
厌氧氨氧化（anammox）是一种高效且低碳的脱氮技术；然而，厌氧氨氧化菌种污泥的长期短缺严重限制了其实际工程应用。本研究证明，通过使用合成功能微生物群落的方法并精确调控关键驱动参数（具体为溶解氧（DO）水平0.2–0.5 mg·L–1和碳氮比0.3），可以有目的地驯化和塑造成熟的厌氧氨氧化污泥。值得注意的是，即使在极低的接种比例（外源/厌氧氨氧化污泥）为200:1的情况下，在约89天内仍实现了超过90%的脱氮率，等于或略微超过了20:1高接种量组的性能。显著的是，低接种量系统在厌氧氨氧化活性、生物量以及关键基因（hzsA、glk）表达方面短暂地优于高接种量系统，表明组装功能菌群可以消除初始接种量的差异。宏基因组分析揭示了代谢交叉供给快速自我组织的基因组潜力，其中JADJXA01 sp.和Pararhodobacter可能参与了向厌氧氨氧化菌提供钼辅因子和叶酸，而QQUY01 sp.提供了丙酮酸并可能有助于亚硝酸盐循环。这种潜在的代谢互利作用有效地抵消了厌氧氨氧化菌种的初始短缺。低接种量组和高接种量组中的微生物正相互作用分别增加至87.8%和88.5%，其中Ca. Kuenenia、Ca. Jettenia和Ca. Brocadia形成了一个紧密相连的核心菌群。这一发现重新定义了富集范式，从依赖接种量转变为调控驱动，为在菌种受限条件下培养厌氧氨氧化污泥提供了新策略。
引言
过多的氮排放加剧了环境问题，例如富营养化和温室气体排放[1]，[2]，[3]。厌氧氨氧化（anammox）作为一种低碳、高效的生物脱氮技术，在水处理领域引起了广泛关注[4]，[5]。然而，厌氧氨氧化菌生长缓慢且对环境条件高度敏感，导致菌种污泥稀缺，严重限制了厌氧氨氧化技术的工程应用[6]，[7]，[8]。重要的是，厌氧氨氧化污泥是一个共生菌群，其中厌氧氨氧化功能由厌氧氨氧化菌及其共生伙伴共同完成，并且该功能并不直接与单独的厌氧氨氧化菌丰度相关。因此，只需获得厌氧氨氧化功能微生物菌群，就能实现厌氧氨氧化工艺的广泛应用。因此，关键在于使用有限量的厌氧氨氧化菌种污泥来组装功能菌群并恢复其活性。
以往研究表明，溶解氧（DO）和碳氮比显著影响厌氧氨氧化菌群[9]，[10]。尽管溶解氧和有机碳长期以来一直被认为是需要严格控制的内在抑制因子[6]，[11]。新出现的证据表明，厌氧氨氧化菌可以通过抗氧化酶系统（如超氧化物歧化酶和细胞色素c还原酶）对氧气进行解毒，在溶解氧抑制后活性得以恢复[12]，[13]。进一步的研究发现，厌氧氨氧化菌在有氧条件下生长，我们之前的工作表明，有限的溶解氧可以作为底物促进厌氧氨氧化[14]，[15]。同时，微曝气和低碳氮比是在畜禽废水处理中实现厌氧氨氧化过程的关键因素[10]。有限的有机碳通过促进微生物相互作用而不是与厌氧氨氧化菌竞争来增强厌氧氨氧化活性[16]，[17]，[18]。然而，碳氮比超过3会抑制厌氧氨氧化活性，使生物量由红色变为棕色，并导致异养反硝化细菌快速繁殖[19]，[20]。我们还发现，在微氧条件下添加葡萄糖可促进厌氧氨氧化污泥增殖并提高脱氮率[21]。因此，溶解氧和碳氮比的调控对于组装功能菌群并恢复其活性至关重要。
厌氧氨氧化菌群是通常与共生细菌共存的混合微生物系统，厌氧氨氧化功能由厌氧氨氧化菌及其伙伴协同完成[22]，[23]，[24]。厌氧氨氧化群落内的微生物相互作用在水处理中起着重要作用[25]，[26]，[27]。例如，Armatimonadetes和Proteobacteria提供次级代谢产物（钼辅因子和叶酸）以促进厌氧氨氧化菌的生长和脱氮[28]。Chloroflexi相关细菌利用厌氧氨氧化菌产生的核苷酸糖生物合成胞外多糖，促进菌群聚集，并携带增强厌氧氨氧化性能的亚硝酸盐循环基因[29]。此外，反硝化过程中产生的亚硝酸盐可以作为厌氧氨氧化菌的底物，而反硝化细菌可以利用厌氧氨氧化过程产生的硝酸盐，从而缓解硝酸盐积累[30]。这些发现表明，通过富集和生态选择构建以厌氧氨氧化代谢为主、由共生相互作用支持的合成功能微生物群落，是实现厌氧氨氧化的替代策略，将接种污泥转化为功能性的厌氧氨氧化污泥并增强脱氮潜力。
在此，我们假设，通过合成功能微生物群落技术结合辅助调控因子可以建立稳定的脱氮过程。为了验证这一点，我们通过调控溶解氧（DO）（ 0.2–0.5 mg·L–1）和碳氮比（C/N）（0.3）构建了厌氧氨氧化功能菌群并恢复了其活性。本研究的主要目标是（1）评估通过合成功能微生物群落技术实现厌氧氨氧化菌自我富集的可行性，（2）研究微生物的共现网络分析以及活性氧（ROS）和抗氧化酶的动态变化，（3）阐明关键功能微生物的代谢相互作用以及功能基因（hzsA、glk）的表达。该发现为资源受限条件下的厌氧氨氧化污泥培养提供了新的理论和实践依据，并为大规模厌氧氨氧化应用提供了一种具有成本效益且低接种量的策略。
章节片段
反应器操作与实验设计
操作厌氧氨氧化反应器，以研究不同碳氮比（0、0.3和0.6）和溶解氧水平（ <0.2 mg·L–1、0.2–0.5 mg·L–1和0.5–0.8 mg·L–1）对厌氧氨氧化系统性能的影响。操作条件总结在文本S1中。此外，两个工作体积为20 L的CSTR（命名为R1和R2）在溶解氧水平0.2–0.5 mg·L–1和碳氮比0.3下运行（图S1）。反应器连续运行184天，基于进水分为五个阶段
溶解氧和碳氮比驱动的长期性能
评估了不同碳氮比和溶解氧水平对厌氧氨氧化系统性能、污泥特性以及厌氧氨氧化菌活性/丰度的影响（图1）。尽管系统的脱氮率（NRE）有所波动，但碳氮比为0.3时的NRE高于碳氮比为0和0.6时的NRE，达到81.79%（图1a）。碳氮比为0.3（0.18 ± 0.07）和0.6（0.22 ± 0.13）时的△NO3?-N/△NH4+-N值接近理论值，且无显著差异（p >
结论
本研究证明，合成功能微生物群落技术结合辅助调控因子可以建立厌氧氨氧化菌群，从而实现高效脱氮并缓解污泥短缺。结果表明，在严格控制溶解氧（DO）（0.2–0.5 mg·L?1）和碳氮比（C/N）（0.3）的条件下，厌氧氨氧化功能群落的组装不再依赖高比例接种菌种污泥。即使初始接种比例为
CRediT作者贡献声明
石晓红：撰写 – 审阅与编辑，监督，资源。张琪：资源，资金获取。姬晓明：撰写 – 审阅与编辑，监督，资源。陆俊平：撰写 – 审阅与编辑，资金获取。李晓园：撰写 – 审阅与编辑，验证，数据整理。袁志辉：撰写 – 审阅与编辑，概念化。郑金利：撰写 – 初稿，验证，方法论，调查，资金获取，形式分析。
利益冲突声明
作者声明，他们没有已知的竞争性经济利益或个人关系可能会影响本文报告的工作。
致谢
本工作得到了内蒙古自治区科技创新重大示范项目（项目编号：2025ZDSF0011）、内蒙古自治区自然科学基金（编号：20260C0601）、国家自然科学基金委员会（项目编号：52300037）和中国博士后科学基金（编号：2024M750442）的资金支持。
利益冲突
作者声明，他们没有已知的竞争性经济利益或个人关系
郑金利|李晓园|陆俊平|袁志辉|张琪|石晓红|姬晓明
干旱区水工程生态与环境国家重点实验室，内蒙古农业大学水利与土木建筑工程学院，内蒙古 呼和浩特 010018，中国
