颗粒污泥与絮状污泥之间的协同代谢分工机制，推动了混合型部分反硝化/厌氧氨氧化（anammox）系统中高效的氮去除效果

《Bioresource Technology》：Synergistic metabolic division of labor between granular and floc sludge drives high-efficiency nitrogen removal in hybrid partial denitrification/anammox system

本研究通过空间分辨光谱和RNA转录组学分析，揭示了混合PD/A系统中颗粒污泥与絮状污泥的协同机制。颗粒污泥形成核心-壳层结构（蛋白质核心+α-多糖壳层），优化了厌氨氧化菌（AnAOB）的生存环境；絮状污泥通过快速上调narG基因实现硝酸盐还原，为颗粒污泥提供亚硝酸盐底物。转录分析显示，两种污泥的基因表达存在时空同步调控，证实了其分工协作模式，使系统在20天内恢复97.1%的氮去除效率。

　　

Jingwen Zhang|Qiong Zhang|Rui Du|Xiangchen Li|Xiyao Li|Yongzhen Peng

国家先进城市污水处理与回用技术工程实验室，北京工业大学工程研究中心，中国北京100124

摘要

部分反硝化/厌氧氨氧化（PD/A）工艺是去除废水氮最节能的策略之一。然而，颗粒污泥和絮状污泥在混合PD/A系统中共存的功能机制及其内在调控机制仍不明确。本研究通过空间分辨光谱技术和基于RNA的转录分析，阐明了这两种形态之间协同合作的机制。从结构上看，颗粒污泥形成了独特的核壳结构，α-多糖构成了水凝胶壳层，而蛋白质则构成了疏水骨架核心，为厌氧氨氧化菌（AnAOB）提供了优化的生存环境。该混合系统在重启20天后实现了97.1%的氮去除效率（NRE）。动力学实验表明，絮状污泥负责生成亚硝酸盐（NO₂^–），而颗粒污泥则负责厌氧氨氧化过程。转录分析显示，絮状污泥中的硝酸盐还原酶基因narG在最初的5分钟内迅速上调了三倍，促进了大量NO₂^–的积累。这种代谢激增促使颗粒污泥中的厌氧氨氧化相关基因hzsA和hzsB上调了两倍，从而有效利用了亚硝酸盐（NO₂^–和铵离子（NH₄⁺）。这些发现揭示了混合系统中的明确分工：形态分层和转录同步共同决定了高效的氮去除效果，为稳定运行PD/A系统提供了新的见解。

引言

近年来，厌氧氨氧化技术因能耗低、污泥产量少而受到广泛关注（Hong等人，2023年；Lackner等人，2014年）。作为一种创新的生物自养过程，厌氧氨氧化能在厌氧条件下直接将铵离子（NH₄⁺）和亚硝酸盐（NO₂^–转化为氮气（N₂）（89%）和硝酸盐（NO₃^–）（11%）（Kartal等人，2010年）。然而，硝酸盐副产品的积累以及持续稳定供应亚硝酸盐的瓶颈严重限制了整体氮去除效率。为解决这些问题，PD/A工艺应运而生（Zhang等人，2024年；Zhao等人，2024年）。通过在亚硝酸盐生成阶段终止反硝化过程来促进厌氧氨氧化，PD/A显著降低了碳需求并提高了氮去除效率，显示出在碳限制条件下的巨大潜力（Gao等人，2025年；Liu等人，2025年）。

在基于厌氧氨氧化的废水处理技术中，由于厌氧氨氧化菌（AnAOB）生长速度极慢，生物量保持是一个关键操作挑战（Wu等人，2021年）。为解决这一问题，工程策略通常依赖于生物膜形成或污泥颗粒化（Han等人，2024年；Zhu等人，2026年）。特别是颗粒污泥的致密层状结构和优异的沉淀性能有效地保留了生长缓慢的AnAOB（Feng等人，2024年）。此外，这种紧凑的结构为微生物提供了稳定的微环境，显著增强了其对水力波动和抗生素、重金属等环境压力的抵抗力（Lin等人，2024年；Lu等人，2023年；Wang等人，2024a）。

胞外聚合物物质（EPS）是颗粒污泥的重要组成部分，既作为微生物聚集的粘合剂，也作为细胞间通信和营养储存的介质（Flemming等人，2025年）。尽管EPS的一般作用已被认可，但其空间分层的具体机制及其与PD/A颗粒内微生物生态位分化的相关性仍不清楚。特别是不同EPS成分、特定蛋白质或多糖在颗粒组装和性能中的作用，是一个需要系统研究的知识空白。

此外，实际的PD/A系统通常是颗粒污泥和絮状污泥共存的混合体系（Geng等人，2023年；Wei等人，2021年）。以往的研究往往将它们视为一个整体。这忽略了这两种污泥在氮去除过程中可能扮演的不同角色。同时，絮状污泥和颗粒污泥之间的物质交换和过程耦合也尚未得到充分研究。本研究旨在通过同步监测氮转化率和基因转录本来填补这一空白。通过分别分析这两种形态，可以更好地理解维持混合系统稳定性和效率的潜在机制。

在本研究中，系统地研究了混合PD/A系统的微生物生态位分化。我们首先使用多种荧光标记技术和共聚焦激光扫描显微镜（CLSM）技术表征了EPS成分的空间结构，以阐明它们在颗粒微环境中的作用。此外，还利用基于RNA的转录分析和cDNA测序技术揭示了颗粒和絮状污泥中氮转化的基因转录特征，并确定了典型反应周期内实际参与氮去除的微生物。这种多维度分析为混合营养型厌氧氨氧化系统的协同运行提供了新的机制见解。

部分内容

生物反应器接种与运行

配置了一个工作体积为9.0升的序批式反应器（SBR）来培养功能性生物量。系统接种了来自成熟混合PD/A生物反应器的活性污泥，其混合悬浮固体（MLSS）浓度为2750.0±50.0毫克/升。母反应器输入含有NH₄⁺-N（80.0毫克/升）和NO₃^–-N（100.0毫克/升）的合成废水。每个运行周期包括10分钟的投料阶段、60-240分钟的反应阶段以及20分钟的沉淀阶段。

长期性能

一个混合PD/A系统在厌氧模式下运行。尽管接种物在4℃下休眠了三个月，但在接触合成废水后，功能性生物量迅速恢复了代谢活动。为促进微生物活性的恢复，系统最初以8小时的HRT和2.7的C/N比运行（图1a），确保有足够的电子供体驱动关键的NO₃^–还原反应。检测到满意的氮去除效果。

结论

本研究阐明了颗粒污泥和絮状污泥的功能差异及其同步转录响应机制，这些机制决定了混合PD/A系统的稳定性和效率。具体而言，厌氧氨氧化菌分泌α-螺旋蛋白构建了颗粒的疏水结构框架，而栖息在颗粒外围的异养菌Thauera分泌亲水α-多糖形成保护性的水凝胶壳层。这种空间组织优化了物质传递。

CRediT作者贡献声明

Jingwen Zhang：撰写 – 审稿与编辑，撰写 – 原稿，实验研究，数据分析，概念构思。Qiong Zhang：数据分析，概念构思。Rui Du：资源获取，方法学设计，资金筹集。Xiangchen Li：监督，数据分析，概念构思。Xiyao Li：资源获取，方法学设计。Yongzhen Peng：撰写 – 审稿与编辑，监督，项目管理，资金筹集，概念构思。

利益冲突声明

作者声明没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文的研究结果。

致谢

本研究得到了国家自然科学基金（项目编号：52522002）和北京国际智能技术创新与合作基地的财政支持。