《Environmental Research》：Resilient simultaneous nitrification and denitrification in extreme industrial environments: Mechanisms, adaptive strategies, and future perspectives
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同步硝化反硝化（SND）在极端工业废水处理中的抑制机理及适应性策略研究，提出微环境调控、菌群动力学匹配和电子流优化技术，倡导合成生态学与数字孪生控制融合的系统工程框架。
Kai-Yin Ye|Zi-Han Wang|Chuan Chen|Jing-Yan Tan|Nan-Qi Ren|Lei Zhao
中国哈尔滨工业大学环境学院，国家与地方联合生物能源开发与利用工程研究中心，哈尔滨，150090
摘要
同时硝化与反硝化（SND）是一种资源高效的生命氮去除方法，但其应用于极端工业废水时受到空间梯度和耦合动力学的限制。本综述讨论了高盐度、高温和pH波动所带来的生理和物理化学障碍。具体而言，这些因素如何导致细胞外聚合物物质（EPS）基质中的离子位移，通过解耦氧气供应与代谢需求产生动力学-溶解度悖论，并通过底物形态变化破坏跨膜生物能量传递。除了描述性分析外，该综述还综合了恢复SND效率的针对性策略，包括：（1）利用生物膜反应器重建分层微环境以保护敏感微生物群落；（2）调整功能菌群的动力学以同步硝化和反硝化速率；（3）优化电子流动以减轻与应激反应相关的碳损失。最后，本文提出了从经验参数优化向整体系统工程转变的路线图，倡导预测性合成生态学与数字孪生控制的结合。这一框架旨在将SND发展为一种稳健、低排放的极端废水处理标准。
引言
氮污染物的持续排放仍然是全球富营养化和生态毒性的主要驱动因素。虽然传统的生物氮去除方法（CBNR）是修复污染的关键手段，但其效果受到好氧和厌氧阶段时空分离的限制，导致较大的资本投入和操作复杂性（Loh等人，2023；Xie等人，2024）。为克服这些限制，同时硝化与反硝化（SND）作为一种颠覆性替代方案应运而生。通过在一个反应器中整合氧化和还原途径，SND具有资源高效、污泥产量低和环境兼容性强的特点（Yang等人，2024）。
SND的机制基础基于生物聚集体内的溶解氧（DO）梯度或异养硝化-好氧反硝化（HN-AD）细菌的代谢多样性。研究表明，SND在处理城市废水方面表现出较强的适应性（Chang等人，2019；Bhattacharya & Mazumder，2021）。然而，在极端工业环境中，其适应性仍存在关键知识空白。尽管已有研究针对良性条件优化了操作参数（如碳氮比、DO、温度和pH）（Vesuwe等人，2025；Preetham等人，2024），但将其应用于石油提取、煤制气和金属加工等工业废水时受到严峻环境因素的阻碍。
这些极端条件在工业废水中普遍存在，带来多重挑战。例如，海水养殖和纺织废水中的高盐度（>3.5% TDS）会导致渗透压和离子毒性，严重抑制微生物酶活性（Huang等人，2024；Li等人，2023；Huang等人，2022a）。同样，钢铁焦化和热电厂废水中的高温环境（约25-35°C）会促进酶变性并加剧亨利定律下的氧气传质限制（Ke等人，2023；Kato & Kansha，2024）。此外，制药酸洗过程中的pH波动会破坏硝化菌所需的质子驱动力和水生平衡（Kang等人，2023；Zeng等人，2020a）。
与城市污水不同，这些因素造成的热力学和动力学限制会破坏自养硝化菌与异养反硝化菌之间的协同作用，导致过程失败，并积累有毒中间产物（如一氧化二氮（N2O），从而抵消处理带来的环境效益（Bordeleau等人，2024；Naseef & Tulaimat，2025；Bekhradinassab等人，2025）。
因此，本综述旨在弥合微生物应激生理学与反应器工程之间的差距。与以往研究不同，我们系统分析了盐度、温度和pH对SND系统的抑制机制，区分了生理毒性和动力学瓶颈。随后，我们评估了从生物膜生态工程和合成微生物组装到智能过程控制的各种适应策略，以维持代谢平衡。最终，这一综合分析将为设计能够在极端工业环境中运行的稳健SND系统提供理论和实践框架。
章节摘录
机制基础与前沿进展：从微生态位到代谢多样性
SND的效果基于微生物聚集体内质量传递阻力的形成。无论是在生物膜、颗粒还是絮体中，周围氨氧化菌（AOB）和亚硝酸盐氧化菌（NOB）的耗氧速率总是超过扩散速率，从而形成分层的氧化还原梯度。这种空间组织使得厌氧微生物能够在聚集体核心存活，反硝化菌（DNB）在此利用硝酸盐/亚硝酸盐进行反应
适应极端环境下的高性能SND
尽管SND在常规废水处理中具有显著优势，但在复杂工业废水中的应用常受极端环境条件的限制。成功开发出具有抗逆性的SND系统不仅需要适应过程，还需要深入理解这些因素的具体抑制机制并制定针对性的对策。本节系统探讨了这三个方面的挑战
视角：从机制理解到系统工程
在常规城市废水中，稳定的SND性能通常源于生物膜/聚集体内的空间DO分层与硝化-反硝化动力学的良好耦合。但在恶劣工业条件下，这种耦合容易受到破坏。高盐度会削弱EPS介导的质量传递阻力并改变氧气溶解度，从而破坏氧化还原微区结构；而热应力和其他物理化学极端条件也会影响反应过程
结论
本综述批判性地评估了在极端工业环境中实施SND的生理障碍和适应策略。主要结论如下：
(1)极端条件下的抑制机制在物理上不同，但在破坏细胞生物能量传递方面具有功能上的共性。高盐度会导致EPS基质中的离子位移；高温产生动力学-溶解度悖论；pH波动会改变底物形态
CRediT作者贡献声明
Zihan Wang：数据可视化、资源支持。Kaiyin Ye：撰写——审稿与编辑、初稿撰写、数据可视化。Jingyan Tan：资源支持。Chuan Chen：指导、资源支持。Lei Zhao：撰写——审稿与编辑、指导、资源支持、资金获取、概念构思。Nanqi Ren：指导、资源支持
利益冲突声明
? 作者声明没有已知的可能影响本文研究的财务利益或个人关系。
致谢
本工作得到了国家自然科学基金（编号：32570108）、黑龙江省自然科学基金优秀青年学者项目（资助编号：No YQ2023C031）、城市-农村水资源与环境国家重点实验室（哈尔滨工业大学）（编号：2024TS22）以及哈尔滨工业大学国家与地方联合生物能源开发与利用工程研究中心（资助编号：K2025A011）的支持
