微生物预定植作为载体改良策略以促进厌氧氨氧化（anammox）颗粒化：性能与机制

《Bioresource Technology》：Microbial pre-colonization as a carrier modification strategy to enhance anammox granulation: Performance and mechanisms

微生物预定殖可显著提升厌氨氧化絮体形成效率，通过增强活性炭比表面积（126.5±1.0 m2/g）、极性和疏水性促进菌群附着，减少胞外聚合物需求，使特定活性达175.5±13.4 mgN/gVSS/d，氮去除率稳定87.2%±1.8%。

　　

王伟刚|张卓然|舒世虎|王雅仪

中国上海同济大学环境科学与工程学院上海污染控制与生态安全研究所水污染控制与绿色资源回收国家重点实验室，上海200092

摘要

自养反硝化细菌对惰性载体的初始附着速度较慢，这阻碍了絮凝剂的颗粒化过程。本文提出了一种新的载体改性策略，通过微生物预接种来促进反硝化菌絮体的形成。具体方法是先将厌氧异养细菌接种到生物炭上，将其从被动载体转变为具有活性生物膜诱导功能的载体。经过60天的运行，添加了微生物预接种生物炭的反应器（R_MB）产生的反硝化菌颗粒比例最高，平均粒径达到487±12微米，分别比使用原始生物炭的反应器（R_B）和无生物炭的反应器（R_C）高出67.3%和62.3%。颗粒化的增强归因于微生物预接种生物炭比表面积（126.5±1.0 m²/g）的增加、极性的提升以及疏水性的增强，这些因素有利于反硝化细菌的附着，并减少了细胞外聚合物（EPS）的消耗，使代谢资源更多地用于细菌生长和颗粒化过程。因此，R_MB在三种反应器中表现出最高的反硝化活性（175.5±13.4 mg N/g VSS/d）和最高的反硝化菌丰度（1.6±0.3%），以及最稳定的氮去除性能（87.2±1.8%）。BugBase分析进一步证实了R_MB中富集了与生物膜形成相关的基因，这与其优异的颗粒化性能相吻合。总体而言，本研究证明了微生物预接种是一种有效的载体改性策略，可以提升反硝化菌颗粒化的效果和系统稳定性。

引言

反硝化过程是一种将铵直接氧化为氮气的工艺，其中亚硝酸盐作为电子受体，是一种备受推崇的低碳氮去除技术（Kartal等人，2010年）。与传统的好氧化和反硝化工艺相比，反硝化工艺在减少氧气消耗、温室气体排放、污泥产生和碳源利用方面具有显著优势（Lackner等人，2014年）。然而，反硝化工艺的实际应用受到反硝化细菌生长速度较慢的限制，需要采取有效的生物量保留策略（Zhang等人，2017年）。颗粒污泥由于具有密集的微生物聚集体，已被广泛用于解决这一问题，从而提高了生物量浓度和运行稳定性（Li等人，2021年；Lotti等人，2015年）。

颗粒污泥技术通过其较高的沉降速度、较高的生物量保留能力和对环境变化的适应性，优于传统的活性污泥系统（van Loosdrecht和Brdjanovic，2014年）。颗粒系统中没有二次沉淀池，进一步降低了能耗和占地面积要求。颗粒的结构分层使得微生物功能能够实现空间分化（Ni等人，2024年）。在一阶段部分硝化/反硝化颗粒中，好氧铵氧化细菌主要分布在富氧的外层，而反硝化细菌则在缺氧的核心区域繁殖（Vlaeminck Siegfried等人，2010年）。这种分层结构不仅优化了底物扩散，还促进了微生物之间的协同作用，使颗粒污泥成为高效自养氮去除的基石（Ni等人，2015年；Wang等人，2020c年）。

然而，反硝化菌颗粒的形成过程耗时较长，仍是一个关键瓶颈。目前的模型提出了一个三阶段的颗粒化机制：（1）细胞簇的形成，（2）亚单位的聚集，（3）成熟颗粒的发育（Wang等人，2020b年）。"惰性载体"理论认为，添加载体材料（如沸石、磁铁矿、非活性产甲烷颗粒）可以通过提供附着位点来加速初始簇的形成（Fernández等人，2008年；Ni等人，2010年）。虽然零价铁等材料在缩短启动时间方面取得了约50%的成功（Gao等人，2014年），但其应用受到成本和二次污染风险的限制。生物炭是一种多孔碳质材料，具有较大的比表面积和良好的导电性，是一种可持续的替代品。尽管先前的研究表明生物炭可以提高反硝化氮去除效率20%–35%（Xie等人，2022年；Xu等人，2022年），但其作为惰性载体的作用尚未得到充分探索。另一个未解决的问题是生长缓慢的自养反硝化细菌对生物炭表面的附着延迟且不可逆，这延长了颗粒化的启动时间。

为克服这一限制，我们提出了一种基于微生物预接种的载体改性策略。此前已有研究使用预接种的异养生物膜在塑料载体上增强反硝化菌的附着（Yuan等人，2023年）。然而，据我们所知，尚未有研究专门探讨将这种策略应用于生物炭以增强反硝化菌颗粒化。我们假设，将快速生长的厌氧异养细菌接种到生物炭上（微生物预接种生物炭，MB），可以将其从被动载体转变为具有活性生物膜诱导功能的载体，从而加速后续的反硝化菌定植。本研究系统评估了MB作为反硝化污泥快速颗粒化核剂的可行性，重点关注工艺性能和潜在机制。三个反应器分别在没有载体（R_C）、使用原始生物炭（R_B）和使用MB（R_MB）的条件下运行了60天。通过分析氮去除性能、颗粒形态、细胞外聚合物（EPS）和微生物群落结构等关键参数，阐明了颗粒化增强的机制。所提出的策略结合了载体改性和微生物生态学原理，为克服反硝化颗粒技术的现有局限提供了新的途径。

部分内容

生物炭的改性与表征

采用先前报道的热解方法，使用竹子制备了粒径均匀为100–300微米的生物炭（Wang等人，2022年）。原始生物炭用去离子水冲洗三次以去除杂质和可溶性有机化合物，然后在105°C下烘烤12小时。

为了制备MB（其表面不可逆地接种了厌氧异养细菌），将生物炭接种到含有乙酸钠溶液的血清瓶中（化学处理）

生物炭的纹理和功能表征

系统评估了改性前后生物炭的物理化学性质，包括形态、孔隙性质、元素组成和表面官能团。分析表明，改性后生物炭表面被杆状细菌定植，这些细菌可能是厌氧异养菌。同时，BET比表面积（S_BET）、极性和疏水性显著提高，这些因素共同促进了...

结论

本研究证明了微生物预接种作为一种新的载体改性策略，在增强反硝化菌颗粒化方面的有效性，并详细阐明了其背后的性能和机制。将厌氧异养细菌接种到生物炭上显著改善了其关键表面性质，包括BET比表面积、极性和疏水性。这种改进促进了反硝化细菌的不可逆附着，使其成为更优的微生物生态核

CRediT作者贡献声明

王伟刚：撰写——初稿撰写、实验设计、概念构思。张卓然：实验设计、数据管理。舒世虎：撰写——审稿与编辑。王雅仪：撰写——审稿与编辑、项目监督。

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（编号52225001和52100058）的支持。