综述：生物驯化与生物强化：高盐废水中生物脱氮的效能、机制、应用与优化

《Bioresource Technology》：Bioacclimation versus bioaugmentation: efficacy, mechanisms, applications, and optimization of biological nitrogen removal in high-salinity wastewater

　　

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  驯化后接生物强化可耐受9%盐度，而反向操作（先生物强化后驯化）仅能耐受5%。
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  生物驯化和预构建菌群加速了盐耐受能力的获得。
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  盐度超过3%有利于铵盐同化和相容性溶质的分泌。
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  Halomonas具有高ATP合成活性，是广泛分布的耐盐菌属。

引言

水体富营养化，主要受氮素积累驱动，是一个需要高效控制技术解决的全球环境问题（Chen et al., 2024a）。与物理化学方法相比，生物脱氮具有更高的成本效益（Yue et al., 2026）。其依赖于氮转化细菌将NH₄⁺-N转化为N₂，处理性能取决于微生物代谢活性（Zhang et al., 2024）。然而，高盐度抑制常规微生物的活性并损害脱氮效率（He et al., 2017）。盐度超过1%会引发渗透胁迫、脱水及质壁分离，确立1%为关键的抑制阈值（Wang et al., 2024）。

为解决这一问题，生物强化引入外源耐盐微生物，而生物驯化通过逐步提高盐度富集适应性菌群。尽管两种策略均能重塑微生物群落并实现高盐废水处理，但系统的比较性综述仍很稀缺。存在以下几个关键研究空白：(1) 现有高盐废水综述主要关注相容性溶质或电化学刺激（Feng et al., 2022, Sun et al., 2025）。少数研究描述了耐盐菌株的分离（Zhang et al., 2023a），但忽略了实验室/中试反应器的实施及温室气体（GHG）减排。缺乏针对这两种核心生物策略应对盐度胁迫的专门比较性综述，导致定义模糊、应用边界不清。(2) 比较性总结不足限制了对群落耐盐机制的理解，阻碍了分子靶向微生物强化理论的发展。(3) 淡水废水系统的温室气体减排已有充分综述（Guo et al., 2025b）。盐度重塑氮代谢并增加N₂O排放风险，但相关综述有限，且缺乏针对高盐系统的专门减排策略。(4) 机器学习在传统废水预测中被广泛讨论（Du et al., 2025, Fang et al., 2026）。高盐度导致微生物活性的非线性转变，削弱了单一模型的性能。然而，尚无专门综述支持盐条件下堆叠机器学习模型的构建。(5) 缺乏针对生物强化和生物驯化相关盐耐受性的系统性文献计量分析，限制了研究趋势和优先方向的识别。

因此，本综述进行了以下分析：(1) 系统比较生物强化和生物驯化的进展，提出高盐废水处理的最优策略。(2) 阐明两种方法下群落耐盐机制，并利用系统发育和基因组证据区分其调控模式。(3) 识别高盐生物处理过程中温室气体排放的驱动因素并提出减排策略。(4) 评估盐度废水的机器学习模型并建立堆叠模型开发框架。(5) 通过近十年出版物的文献计量分析预测未来研究趋势。本综述总结了应对盐度胁迫的生物强化和生物驯化，为机理研究和工程实践提供参考。

各章节摘要

总体研究趋势

按照标准流程（补充材料），我们检索并分析了相关文献。共有4915篇文章关注高盐废水生物处理（图S1a）。其中15%的研究涉及生物驯化和生物强化。从2016年到2025年，527篇文章探讨了生物盐度缓解策略，占该子领域的70%。高被引论文的数量不断增加，表明研究范围在扩大且全球关注度上升，而仅有45篇相关综述...

好氧颗粒污泥生物驯化性能

盐度超过1%会引起渗透胁迫并抑制脱氮（Wang et al., 2024）。表S1列出了通过生物驯化增强盐耐性的代表性研究及详细运行参数。好氧颗粒污泥（AGS）具有致密结构和优异的沉降性能，且天然耐盐冲击（Wang et al., 2017a），其培养过程如图1a所示。每20天逐步提高0.25%的盐度，95天内可获得成熟颗粒污泥，且...

好氧颗粒污泥生物驯化机制

在盐度≤1%时，渗透代价可忽略不计，微生物可优先进行生长和颗粒化。细胞疏水性的改善促进了聚集成粒和胞外聚合物（EPS）的分泌（Liu and Tay, 2002）。低成本的离子转运维持了稳定的硝化和反硝化。对盐敏感的絮状菌属（Zoogloea和Bdellovibrio）受到抑制，而耐盐的Thauera、Paracoccus、Acinetobacter和Nitrosomonas占主导地位（Li et al., 2020, Wang et al., 2025b）。hao、nirS和nirK基因上调...

生物驯化的应用

中试研究验证了生物驯化处理高盐废水的可行性。一个320 L MBR经过90天生物驯化，处理2%盐度的烃类废水（50 mg/L NH₄⁺-N），实现了33%的NH₄⁺-N去除率（Mannina et al., 2016）。另一个5.3 m³中试MBR经过95天生物驯化，处理3%盐度的化工废水（19–45 mg/L NH₄⁺-N），实现了95%的NH₄⁺-N去除率（Feng et al., 2025），但需要较长的驯化时间。相比之下，EGSB反应器表现出...

被忽视的温室气体及其防治策略

盐度诱导的渗透胁迫重塑了微生物的能量分配和氮代谢，增加了高盐废水生物处理过程中N₂O和CO₂的排放（Ross et al., 2020）。盐度从0%升至1%时，N₂O排放因子从0.1%增至0.2%，通过好氧部分反硝化N₂O峰值产量增加11.1倍（Li et al., 2025）。盐胁迫还抑制了胞外聚合物和有机物的降解，导致CO₂持续释放，形成双重温室气体排放风险。

机器学习在高盐废水处理中的应用

机器学习可实现废水处理性能预测并挖掘复杂参数相关性。上述分析表明3%盐度是潜在的抑制阈值。单一算法（如AdaBoost）在盐度≤3%时可提供可靠预测（Wang et al., 2023），但在更高盐度下因群落剧烈重组而引入较大偏差。相比之下，集成和混合模型（随机森林、梯度提升、极端梯度提升...

研究热点与展望

对Web of Science文献的文献计量分析识别出四个核心主题（图5a）：盐度胁迫特性、生物驯化、生物强化和微生物机制，与本综述的范围一致并验证了其新颖性。时间序列文献计量分析显示，高频关键词从盐度胁迫演变为基因表达、宏转录组和能量代谢。这些新兴术语反映了对微生物机制的关注日益增加，且频繁...

结论

用于增强高盐生物处理的生物强化和生物驯化已受到广泛关注。实验室规模下生物驯化后接生物强化的顺序耦合可实现9%盐度耐受，而反向顺序（先生物强化后驯化）仅能耐受5%。在生物驯化条件下，3%盐度以下以Thauera、Nitrosomonas和Candidatus Kuenenia为主导，通过硝化、反硝化和厌氧氨氧化脱氮。在更高盐度下，Candidatus Kuenenia、Thauera和Halomonas...

CRediT作者贡献声明

Wu Heng：论文审阅与编辑、原始草稿撰写、概念构思。Liu Jinsha：概念构思。Zhan Guoqiang：形式化分析。Li Daping：数据管理、概念构思。

利益冲突声明

作者声明不存在可能影响本论文工作的已知经济利益冲突或个人关系。

致谢

本研究得到中国科学院成都生物研究所（QNTS2025-3）、中国博士后科学基金（2025M782478）、四川省自然科学基金（2026NSFSC1220）、国家自然科学基金（编号32470109、32600188）、中国博士后科学基金B级资助项目（GZB20260601）以及成都市科技计划项目（编号2025-YF09-00024-SN）的资助。

Heng Wu|Jinsha Liu|Guoqiang Zhan|Daping Li