电子缓冲生物炭促进较低亚硝酸盐与铵盐比例下饥饿厌氧氨氧化颗粒的恢复：电子交换与能量代谢的协同变化

《Journal of Water Process Engineering》：Electron-buffering biochar facilitates recovery of starved anammox granules under lower nitrite-to-ammonium ratios: Coordinated changes in electron exchange and energy metabolism

　　- 生物炭将达到预定恢复标准的时间缩短了 5 天。- 在 NO??-N/NH??-N 比率为 0.5–1.0 时，生物炭改善了 NH??-N 和 TN 的去除效果。- 生物炭反应器具有更高含量的富含蛋白质的胞外聚合物（EPS）和表观电子交换能力。- 生物炭反应器的血红素 c 高出 23.7%，ATP 高出 9.3%。- 生物炭反应器显示出更高的库恩氏菌（Kuenenia）和厌氧氨氧化基因的相对丰度。## 引言厌氧氨氧化（anammox）是一种有前途的自养氮去除工艺，它以 NH??-N 和 NO??-N 为底物，不需要外部有机碳或曝气。与传统的硝化 - 反硝化工艺相比，厌氧氨氧化具有高氮去除效率、低污泥产率以及降低碳源和曝气需求的优势 [1]。然而，由于厌氧氨氧化菌（AnAOB）固有的生长缓慢，其实际应用仍受到限制，其比生长速率仅为 0.065–0.33 d?1，对应的倍增时间约为 2.1–10.7 天 [2]。这种缓慢的生长限制了生物量的富集，并使合适的接种污泥可用性成为反应器启动和重启的持续瓶颈。例如，全球第一座全规模厌氧氨氧化厂由于接种生物量不足，耗时 3.5 年才实现稳定运行 [3]，而亚洲第一座全规模设施在厌氧氨氧化接种污泥易于获得的情况下，在两个月内就达到了启动条件 [4]。虽然厌氧氨氧化菌广泛存在于自然和工程环境中，但它们的低丰度需要在接种前进行长期富集 [5]。在实际设置中，厌氧氨氧化生物量在工厂维护、运输或储存过程中经常经历饥饿，导致活性大幅丧失 [6]。尽管如此，饥饿或长期储存的厌氧氨氧化污泥通常仍保留相对较高的厌氧氨氧化菌丰度，因此可作为缩短反应器重启周期的宝贵种源。以前的研究试图通过优化环境条件、反应器配置或补充厌氧氨氧化相关中间产物来恢复饥饿的厌氧氨氧化污泥。Xing 等人表明，在 50 天饥饿后，4°C 储存能更好地保持颗粒结构，并使厌氧氨氧化颗粒污泥完全恢复 [7]。序列批次反应器（SBR）、上流式厌氧污泥床反应器（UASB）和移动床生物膜反应器（MBBR）等反应器设计也被用于加速活性恢复 [8]。虽然这些方法提高了恢复性能，但它们主要依赖外部过程优化，并未直接解决限制长期饥饿生物量再激活的生理约束。据报道，饥饿的厌氧氨氧化菌亚硝酸盐耐受性降低。Carvajal-Arroyo 等人发现，长期饥饿削弱了厌氧氨氧化细胞对亚硝酸盐暴露的 ATP 响应，且饥饿静息细胞的亚硝酸盐半数抑制浓度（IC??）约为新鲜细胞的七分之一，而铵的同时存在显著缓解了亚硝酸盐抑制 [9]。因此，过量的 NO??-N 负荷会阻碍厌氧氨氧化的启动或恢复 [10]。虽然进水 NO??-N/NH??-N 比率为 1.32 通常被认为在化学计量上适合稳定的厌氧氨氧化运行，但长期饥饿污泥减弱的亚硝酸盐消耗能力可能会增加再激活期间亚硝酸盐积累的风险。因此，低于 1.32 的分阶段比率可能在恢复期间提供更保守的亚硝酸盐供应，而非代表长期厌氧氨氧化运行的最优化。最近的证据进一步表明，厌氧氨氧化菌群群的饥饿可能伴随着胞外电子传递和 ATP 含量的减少 [11]。生物炭可能与这一恢复挑战相关，因为它既可以作为微生物载体，也可以作为潜在的电子介质 [12]。证据表明，生物炭可以通过刺激胞外聚合物分泌、重塑微生物群落和促进胞外电子传递来增强厌氧氨氧化性能 [13]、[14]。在进水 NO??-N/NH??-N 比率为 1.32 的条件下，生物炭增加了厌氧氨氧化菌丰度，在 28 天内恢复了初始氮去除，实现了 89.08% 的总氮去除，并在第 56 天完成了再颗粒化 [15]。在较低的进水 NO??-N/NH??-N 比率（0.6–0.8）下，Fu 等人进一步表明，生物炭支撑的部分反硝化可以与厌氧氨氧化协同促进多途径氮去除 [13]。生物炭也被提议在胞外电子传递相关的厌氧氨氧化过程中充当电子受体或电子介质 [15]。然而，尚不清楚生物炭是否能加速长期饥饿后厌氧氨氧化颗粒的初始再激活，并在后续较低的进水 NO??-N/NH??-N 比率负荷增加期间保持其有益效果。此外，反应器性能、与生物炭相关的电子交换、细胞能量状态以及核心厌氧氨氧化功能维持之间的协调关系仍了解不足。因此，我们假设在较低的进水 NO??-N/NH??-N 比率下，生物炭可以提供补充的电子缓冲能力，从而促进长期饥饿厌氧氨氧化颗粒的初始再激活和后续负荷适应，伴随着电子交换、能量代谢和核心厌氧氨氧化功能的协调恢复。为了测试这一假设，使用经历了 106 天饥饿的厌氧氨氧化颗粒运行了两个 UASB 反应器 161 天。具体来说，本研究旨在：(1) 确定生物炭是否缩短了长期饥饿厌氧氨氧化颗粒的初始再激活期；(2) 评估其性能效益是否在后续较低的 NO??-N/NH??-N 比率负荷增加期间持续存在；以及 (3) 将反应器性能与污泥结构、胞外聚合物组成、表观电子受体和电子供体容量、血红素 c、ATP、比厌氧氨氧化活性、微生物组成、功能基因谱和关键酶活性相结合，作为电子交换、细胞能量状态和核心厌氧氨氧化功能维持的协调证据。## 章节摘要### 生物炭来源、预处理及表征本研究所用的商业玉米芯生物炭在 500°C 下生产。使用前，生物炭被研磨并筛分至 0.3–0.8 mm 粒径，随后在超纯水中浸泡 24 小时。该材料随后进行反复清洗和磁力搅拌，然后离心；丢弃含有漂浮物和悬浮物的上清液，保留的生物炭在 105°C 下干燥至恒重。该### 较低 NO??-N/NH??-N 比率下的氮去除性能恢复在第一阶段（第 0–13 天），进水 NO??-N 和 NH??-N 浓度分别维持在 75 和 100 mg L?1，对应 NO??-N/NH??-N 比率为 0.75，水力停留时间（HRT）为 4.94 小时。在这些条件下，两个反应器均表现出厌氧氨氧化活性的明显恢复。出水 NO??-N 保持持续较低水平（<5.4 mg L?1），没有持续亚硝酸盐积累的证据，表明在初始恢复阶段有效控制了亚硝酸盐。同时，NH??-N 和 TN 去除### 结论本研究评估了厌氧氨氧化颗粒在 106 天饥饿后的恢复及后续负荷适应。添加生物炭的反应器比对照组提前 5 天达到预定的运行恢复标准，并在后续负荷增加期间保持了更高且更稳定的氮去除。生物炭添加伴随着更高的胞外聚合物含量和 PN/PS 比率、定性的污泥聚合和结构致密化，以及更高的表观电子受体/电子供体容量（EAC/EDC）、血红素 c### CRediT 作者贡献声明**任怡平：** 写作 – 初稿、可视化、软件、调查、形式分析、概念化。**于小义：** 调查、数据整理。**王雪婷：** 写作 – 审阅与编辑。**陈科伟：** 写作 – 审阅与编辑。**丰惠金：** 写作 – 审阅与编辑。**当波：** 方法论。**万俊峰：** 项目管理、方法论、资金获取。**郭琼：** 写作 – 审阅与编辑、监督、项目管理、资金获取、概念化。### 写作过程中生成式人工智能及人工智能辅助技术的声明在本工作准备过程中，作者使用 DeepSeek 进行语言润色和格式辅助。在使用该工具后，作者根据需要审阅和编辑了手稿，并对手稿内容承担全部责任。### 利益冲突声明作者声明，他们没有已知的竞争经济利益或个人关系可能影响本文报道的工作。### 致谢本工作得到了**国家自然科学基金**（NO. 52400063）、**河南省重点研发专项**（NO. 241111321400）以及**水污染控制与绿色资源循环国家重点实验室基金**（NO. PCRRF26004）的支持。任怡平 | 于小义 | 王雪婷 | 陈科伟 | 丰惠金 | 当波 | 万俊峰 | 郭琼