近日，深圳大学化学与环境工程学院周礼杰副教授团队在期刊《Water Research》（影响因子13.40，中科院JCR 1区，TOP期刊）上发表了题为《Double-edged sword effects of dissimilatory nitrate reduction to ammonium (DNRA) bacteria on anammox bacteria performance in an MBR reactor》的研究论文。该团队周礼杰副教授为论文第一作者及通讯作者，深圳大学为第一作者单位及通讯单位。
DNRA指异化硝酸盐还原成铵盐的过程，于1938年首次被发现，最近被认为是陆地和水生生态系统全球生物地球化学氮循环的重要组成部分。宏基因组分析表明，具有DNRA能力的细菌广泛存在于城市和工业废水处理系统中。然而，具有DNRA能力的细菌在这些系统中的作用尚未得到充分的研究。
DNRA和反硝化过程的反硝化步骤(NO3- → NO2-)相同。这两种细菌都可以通过电子供体(例如有机碳)还原硝酸盐，从而向厌氧氨氧化细菌产生亚硝酸盐。两者主要的区别是DNRA细菌可以进一步将亚硝酸盐还原为铵，这是厌氧氨氧化细菌的另一种底物。而典型反硝化细菌将亚硝酸盐还原为氮气，被认为是厌氧氨氧化细菌亚硝酸盐的竞争对手。因此，DNRA被认为是厌氧氨氧化生物过程中硝酸盐产生亚硝酸盐和氨的可行机制，并已在各种生物反应器中使用厌氧氨氧化来增强厌氧氨氧化脱氮。
本研究旨在了解在诱导亚硝酸盐冲击加载过程中，膜生物反应器(MBR)中DNRA细菌与厌氧氨氧化细菌相互作用的机理。采用不同比例的NH4+-N: NO2--N (1.20-1.60)，在实验室规模的Anammox- MBR内运行了100多天。分子生物学技术，如16S rRNA基因和宏基因组分析，用于了解Anammox- MBR中与不同氮(如铵盐和亚硝酸盐)负荷相关的细菌群落的动态。厌氧氨氧化菌在反应器运行初期起着汇氮的关键作用。研究发现，在Anammox- MBR的进水中使用低比例NH4+-N: NO2--N (1.33)和120 mg/L NO2--N时，反硝化细菌成为主要的氮代谢种群，DNRA和厌氧氨氧化活性可能被高浓度累积的亚硝酸盐抑制。低比例NH4+-N: NO2--N (1.25)和80 mg/L NO2--N能有效促进厌氧氨氧化菌和DNRA细菌成为主要的氮代谢种群。
图1 反应器及DNRA对Anammox细菌的影响作用示意图
初始阶段，Anammox- MBR可以去除进水中95%以上的100mg /L NH4+-N和132mg /L NO2--N (NH4+-N:NO3--N = 0.76)。然后，通过亚硝酸盐冲击加载诱导系统崩溃恢复事件，以更好地了解厌氧氨氧化膜反应器中不同细菌之间的反应。在第一阶段的进水中使用相对较高的NO2--N浓度(100 mg/L)来模拟亚硝酸盐冲击加载场景。为此，将进水NH4+-N浓度提高到160 mg/L，对应比例为1.33 的NH4+-N:NO2--N，以抵消潜在的亚硝酸盐积累。有趣的是，厌氧氨氧化细菌的脱氮能力维持了约20天后才开始显著下降。在第二阶段，进一步将进水亚硝酸盐浓度提高到120 mg/L，以模拟短时间内的高亚硝酸盐毒性情景。正如预期的那样，脱氮效率降至16.8%。在诱导系统崩溃后，在比例为1.25 的NH4+-N:NO2--N和80 mg/L的低亚硝酸盐进水浓度下，Anammox- MBR的脱氮性能稳定恢复到93.2%。
图2 厌氧氨氧化反应器性能:(a)氮含量，(b)脱氮效率，(c) TOC和MLVSS
宏基因组分析显示，第一阶段中氮去除效率的下降可能是由于具有DNRA能力的细菌的过度生长。结果表明，在厌氧氨氧化膜反应器中，Ignavibacteriales(21.7%)的细菌数量超过了竞争的厌氧氨氧化菌(17.0%)。高NO2--N负荷(120 mg N/L)进一步导致占优势的Candidatus Kuenenia spp.被Brocadia Candidatus spp.取代。由此可见，在高比例的NH4+-N: NO2--N的进水情况下， DNRA细菌对厌氧氨氧化过程有明显的负面影响。当以120 mg/L NO2--N投加进Anammox- MBR (NH4+-N: NO2--N比例为1.33)时，反硝化细菌成为主要优势氮代谢种群，DNRA活性降低，厌氧氨氧化活性降低。它们可能以溶解了厌氧氨氧化氨和脱氧核糖核酸的微生物细胞为食。在第三阶段，采用低比例NH4+-N:NO2--N (1.25)和80 mg/L NO2--N的修复体系，有效促进具有DNRA活性的细菌生长。尽管厌氧氨氧化细菌在这一阶段的丰度仅为7.7%，但它们可以负责这一阶段约90%的总氮去除。
图3 反应器运行过程中厌氧氨氧化污泥氮代谢功能菌的动态变化
综上分析，DNRA对anammox具有双刃剑作用。如图4所示，DNRA可以利用厌氧氨氧化菌最有可能产生的EPS或其他胞外有机碳，有效地将厌氧氨氧化的副产物NO3--N (图1中的方程式1)还原为NO2--N和NH4+-N作为厌氧氨氧化的氮源。
正如在第三阶段和其他一些研究中观察到的那样，DNRA和厌氧氨氧化可以维持氮去除的平衡系统。DNRA的积极作用为文献中关于厌氧氨氧化系统为何没有相同的理论值NH4+-N: NO2--N为1.33提供了可信的答案，对于一些观察来说，添加有机碳可以增强厌氧氨氧化活性也是一种合理的机制。另一方面，由于DNRA细菌积累的NO2--N 浓度可能对厌氧氨氧化细菌产生不利影响，甚至导致厌氧氨氧化反应器崩溃。例如，DNRA细菌的过度生长打破了氮代谢平衡，导致高NO2--N浓度的厌氧氨氧化抑制(第一阶段性能)。
对于抑制情况，反硝化细菌可以取代DNRA细菌，将NO2--N还原为NO、N2O或N2(图1中的式3)。相对较高的NO2--N负载量也使得Candidatus Kuenenia成为优势的厌氧氨氧化细菌，对亚硝酸盐毒性更耐受。有机碳源和NO2--N负荷量在DNRA对厌氧氨氧化的影响中起重要作用。研究表明，有机碳源可能是DNRA和反硝化作用的驱动力，DNRA过程在各种情况下可能是主要的氮汇。在厌氧氨氧化系统中，即使在进水COD/N比率较低的情况下，通过提高DNRA活性也可以显著提高总氮去除效率。
图4 反硝化细菌和DNRA细菌的互补维持了厌氧氨氧化系统的稳定
这项工作得到了广东省基础体育应用基础研究基金、深圳市自然科学基金的支持。
原文链接：https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0043135423001896
