彭永臻：宏基因组学和物料守恒定量分析缺氧MBBR（中国某大型污水处理厂）中厌氧氨氧化脱氮贡献

丨文章亮点丨

• 缺氧载体生物膜能够原位富集反硝化菌与Anammox菌

• 15N稳定性同位素示踪试验表明缺氧生物膜的Anammox活性与反硝化活性相比具有一定竞争性

• 通过缺氧载体生物膜耦合硝酸盐还原过程和Anammox反应强化氮损失可能有重要潜力

丨文章简介丨

研究介绍了中国西北某污水处理厂主流污水部分厌氧氨氧化（Anammox）对总氮去除的贡献。该污水处理厂是在传统AAO工艺的厌/缺氧区投加生物膜进行升级改造，基于两年的追踪调研观测到显著的氮去除效果。综合分子生物学和15N稳定性同位素示踪测试的研究结果，显著的脱氮效果可能与该厂缺氧生物膜中Anammox菌的原位富集相关。定量PCR结果表明Anammox菌的丰度显著高于絮体污泥。16S rRNA扩增子测序结果表明缺氧生物膜与絮体污泥在Planctomycetes门表现出显著的差异性（P < 0.001）。宏基因测序结果进一步揭示了Anammox菌在缺氧生物膜中的富集，包含共7种Anammox菌（种水平），且相对丰度显著高于已报道过的市政污水处理厂中絮体污泥的丰度，同时检测到编码联氨合成酶HZS的功能基因。物料守恒计算表明以此途径氮损失可能贡献总氮的15.9%。15N稳定性同位素示踪测试与异位活性测试表明基于缺氧生物膜的短程反硝化+部分Anammox可能是该厂自养脱氮的主要贡献途径。简言之，Anammox过程对于该厂总氮的损失可能不容忽视，该研究为城市污水Anammox技术的发展提供了创新思路。

图1-文章摘要图

长期监测表明在该厂进水氨氮为20.3-40.8 mg/L的条件下，出水总无机氮为6.4 ± 1.4 mg/L（第120天至424天）；尽管后期进水氨氮升高，但是出水总无机氮仍然低至8.0 ± 1.5 mg/L。统计表明18.5%的监测时间中总无机氮的去除率超过了理论值（按照污泥回流比与硝化液回流比计算）。微生物分析表明Anammox菌在缺氧载体生物膜上得以富集，其丰度与絮体生物污泥有显著性差异。物料守恒表明该厂大约15.9%的氮损失不能通过常规反硝化途径解释（包括全程反硝化、同步硝化反硝化、同化作用、N2O等）。基于15N稳定性同位素示踪测试与异位活性测试表明Anammox的富集可能为其氮损失提供合理的解释。进一步分析表明，缺氧载体生物膜可基于硝酸盐的还原过程为Anammox提供亚硝酸盐，这为Anammox的富集起到至关重要的作用；但其具体代谢过程还值得未来进一步探究。

图2-缺氧载体生物膜镜检图

该项研究的主要结论如下：在该城市污水处理厂的缺氧区观测到原位富集的Anammox菌，并且其丰度显著高于已报到的传统污水处理厂水平。15N稳定性同位素示踪测试、物料守恒与异位活性测试结果支撑缺氧生物膜中富集的Anammox菌贡献了一部分氮损失。宏基因测序分析表明缺氧生物膜中NarG呈现出高丰度，这可能有利于硝酸盐氮还原为亚硝酸盐从而促进Anammox菌的生长富集。亚硝酸盐作为Anammox生长的底物可能来源于缺氧区中的反硝化或者硝酸盐异化还原途径。基于缺氧载体生物膜耦合反硝化和Anammox的过程强化脱氮在连续流市政污水处理厂有巨大潜力。

图3-缺氧MBBR耦合AAO工艺示意图

图4-Anammox菌的丰度（qPCR）与15N稳定性同位素示踪结果

文章最后指出，系统性地研究城市污水Anammox技术需要集成工程、功能微生物和模型等方面。这项研究表明了Anammox菌的存在及其潜在的脱氮贡献，但仍需要考虑其他可能的微生物脱氮途径。运行参数与环境因素间的响应关系对于自养脱氮的影响需要进一步基于动力学来评估。此外，不同环境条件（季节、温度、进水负荷等）下，该厂中的脱氮效果和Anammox菌种间的潜在关系也需进一步探究。