Synergy between Comammox and Anammox Bacteria in Wastewater Ammonia Removal  

完全氨氧化菌與厭氧氨氧化菌在廢水氨去除中的協(xié)同作用  

來(lái)源：ACS EST Engg，2023, 3, 1582?1591 

《ACS環(huán)境科學(xué)與工程》2023年第3卷1582-1591頁(yè)  

 

摘要內(nèi)容：  

研究通過(guò)移動(dòng)床生物膜反應(yīng)器（MBBR）在低溶解氧（DO：0.1-0.3 mg/L）和遞增氨氮負(fù)荷（7→33 mg N/L）條件下，揭示了完全氨氧化菌（CAOB）與厭氧氨氧化菌（AnAOB）的協(xié)同脫氮機(jī)制。CAOB在低DO和低殘留氨氮條件下成為優(yōu)勢(shì)氨氧化菌（占比99.6%），其分泌的亞硝酸鹽被AnAOB利用實(shí)現(xiàn)脫氮。隨著進(jìn)水氨氮升高，AnAOB豐度增加并發(fā)生種群演替（從Ca. Kuenenia轉(zhuǎn)向Ca. Brocadia），總氮去除率提升至35%。同位素示蹤（15N）證實(shí)AnAOB是亞硝酸鹽還原的主要貢獻(xiàn)者（貢獻(xiàn)率90%），而CAOB-AnAOB協(xié)同作用在DO=0.3 mg/L時(shí)最顯著。  

 

研究目的：  

闡明低DO廢水中CAOB與AnAOB的協(xié)同競(jìng)爭(zhēng)關(guān)系，優(yōu)化主流厭氧氨氧化工藝的脫氮效能。  

 

研究思路：  

反應(yīng)器運(yùn)行：三級(jí)遞增氨氮負(fù)荷（I:7, II:14, III:33 mg N/L）下運(yùn)行MBBR，維持超低DO（0.1-0.3 mg/L）。  

 

活性驗(yàn)證：通過(guò)15N同位素示蹤區(qū)分AnAOB與內(nèi)源反硝化貢獻(xiàn)，結(jié)合微呼吸儀（Unisense電極）量化DO對(duì)協(xié)同作用的影響。  

 

機(jī)制解析：宏基因組與轉(zhuǎn)錄組分析CAOB和AnAOB功能基因，揭示亞硝酸鹽競(jìng)爭(zhēng)利用機(jī)制。  

 

測(cè)量數(shù)據(jù)及研究意義（標(biāo)注來(lái)源圖/表）：  

脫氮性能（圖1）：III階段總氮去除率34.6%（最高50%），證明CAOB-AnAOB協(xié)同提升脫氮效率。  

 

菌群動(dòng)態(tài)（圖3）：qPCR顯示CAOB amoA基因拷貝數(shù)達(dá)2.3×10^11/gVSS（I階段占比99.6%）；宏基因組揭示AnAOB從Ca. Kuenenia（II階段）向Ca. Brocadia（III階段）演替。  

 

活性貢獻(xiàn)（圖2）：15N示蹤顯示29N2（AnAOB產(chǎn)物）占比90%，證實(shí)其主導(dǎo)脫氮（內(nèi)源反硝化貢獻(xiàn)<10%）。  

 

功能基因（圖5b）：AnAOB亞硝酸鹽轉(zhuǎn)運(yùn)基因（focA, nirC）豐度比NOB-Nitrospira高41.2%，解釋其高效亞硝酸鹽利用能力。  

 

DO調(diào)控（圖4b, 圖7a）：Unisense微呼吸儀顯示DO=0.3 mg/L時(shí)AnAOB活性峰值（0.08 mg N/gVSS/h），CAOB硝化活性隨DO升高（KO=0.62 mg/L）。  

 

 

Unisense電極數(shù)據(jù)的核心研究意義：  

精準(zhǔn)量化超低DO效應(yīng)：通過(guò)微電極實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)0.01-2 mg/L DO梯度（圖4b, 7a），首次證實(shí)CAOB-AnAOB協(xié)同窗口為0.01-0.9 mg/L（最佳0.3 mg/L），突破傳統(tǒng)DO傳感器檢測(cè)限（常規(guī)下限0.2 mg/L）。  

 

揭示活性抑制閾值：DO>0.9 mg/L時(shí)AnAOB活性消失（圖7a），明確氧抑制是主流厭氧氨氧化工藝的關(guān)鍵限制因子。  

 

關(guān)聯(lián)代謝響應(yīng)：DO=0.3 mg/L時(shí)CAOB amoA轉(zhuǎn)錄提升7.4倍（圖4a），說(shuō)明Unisense數(shù)據(jù)可同步指導(dǎo)菌群功能優(yōu)化。  

 

結(jié)論：  

CAOB在低DO（0.3 mg/L）和低殘留氨氮（<0.2 mg N/L）下主導(dǎo)氨氧化，其分泌亞硝酸鹽驅(qū)動(dòng)AnAOB脫氮。  

 

AnAOB通過(guò)高豐度亞硝酸鹽轉(zhuǎn)運(yùn)基因（focA等）高效競(jìng)爭(zhēng)底物，DO=0.3 mg/L時(shí)協(xié)同脫氮效率最大。  

 

控制DO≈0.3 mg/L和殘留氨氮0.2-7.6 mg N/L，可實(shí)現(xiàn)35%總氮去除率，為低碳足跡廢水處理提供新策略。