同济大学，Nature Sustainability！

▲第一作者：Hao Sheng

通讯作者：Yayi Wang

通讯单位：同济大学

论文doi：10.1038/s41893-025-01635-4（点击文末「阅读原文」，直达链接）

研究背景

污水污泥是生物污水处理过程中不可避免的副产物，含有大量污染物、有机化合物以及重金属、持久性有机物和病原体等有害物质，全球年产量预计在2025年将超过1亿吨（湿重），其处理成本占污水处理总成本的30%-50%，通常通过焚烧或填埋方式处置，不仅造成资源浪费，还会带来持久的环境影响。厌氧氨氧化（anammox）技术是一种革命性的低碳高效脱氮工艺，与传统硝化-反硝化工艺相比，可降低60%的曝气能耗、90%的二氧化碳排放和80%的污泥产量，有助于实现污水处理厂的碳中和运行。然而anammox细菌（AnAOB）在污水处理厂活性污泥中含量极低（<0.1%）、生长缓慢（倍增时间约2周）且难以与快速生长的异养菌竞争，导致其富集困难，限制了该技术的广泛应用。商业化的厌氧氨氧化菌种价格昂贵（超过4000美元/立方米），且运输成本高、适应性问题突出，因此开发高效、经济的方法培养活性厌氧氨氧化菌种具有重要意义。本研究提出了一种原位硝酸盐驱动氧化方法，将污水污泥升级回收为高价值的厌氧氨氧化菌种，为可持续污水处理提供了新途径。

本文亮点

1.本研究开发了一种原位硝酸盐驱动氧化方法，可将污水污泥高效转化为高价值厌氧氨氧化菌种，使厌氧氨氧化反应启动时间缩短64%，并在90天内形成具有生物标志物的厌氧氨氧化颗粒。

2.该方法利用硝酸盐氧化污泥中的内源性还原剂产生亚硝酸盐，促进厌氧氨氧化细菌生长，实现了污泥资源化与低碳脱氮技术的协同发展。

图文解析

图1. anammox种子培养阶段和富集阶段的物理化学参数变化

要点：

图1展示了厌氧氨氧化菌种培养阶段（1-37天）和富集阶段（38-102天）的物理化学参数变化情况。在实验反应器中，第17天就观察到明显的厌氧氨氧化现象，铵和亚硝酸盐浓度同步下降，而对照组直到第47天才出现这一现象，表明硝酸盐驱动方法使厌氧氨氧化反应启动时间缩短了约64%。实验反应器在1-15天表现出快速且显著的亚硝酸盐积累趋势，从0.3 mg N/L增加到16.6 mg N/L，这归因于通过部分反硝化进行的硝酸盐还原。在38-61天期间，实验反应器的铵、亚硝酸盐和总无机氮平均去除效率分别为56%、82%和60%，均高于对照组，其中总无机氮去除效率提高了25%。在富集阶段末期，两组反应器的出水pH值均有所升高，导致脱氮效率下降，因此在下一阶段将进水pH从7.8降低到7.1以避免游离氨的抑制作用。

 

图2. 厌氧氨氧化菌种成熟阶段的物理化学参数变化及72小时原位批次测试

要点：

图2展示了厌氧氨氧化菌种成熟阶段（103-210天）的物理化学参数变化以及207-210天进行的72小时原位批次测试结果。在成熟阶段，对照组和实验反应器的平均总无机氮去除效率分别达到92.3±1.0%和90.1±2.4%，超过了厌氧氨氧化过程理论最大脱氮效率89%。两组反应器出水化学需氧量浓度保持恒定，表明内源性有机物的持续释放有利于还原厌氧氨氧化过程中产生的硝酸盐，从而实现高于理论值的总氮去除效率。基于第162天数据的¹⁵N同位素示踪分析显示，实验反应器的厌氧氨氧化速率和对总无机氮去除的相对贡献分别比对照组提高了约75%和55%。72小时批次测试表明，实验反应器的总无机氮去除效率比对照组高17%，在初始36小时内，进水铵和亚硝酸盐浓度均为420和483 mg N/L，实验反应器出水铵和亚硝酸盐浓度分别为28.2 mg N/L和15.0 mg N/L，总无机氮去除效率达到85%。

 

图3. 原位硝酸盐驱动氧化系统的性能表现

要点：

图3展示了原位硝酸盐驱动氧化系统的性能表现及相关机制。厌氧氨氧化功能基因hzsB的绝对丰度在实验反应器中比对照组高1.01-3.71倍，表明硝酸盐添加显著促进了厌氧氨氧化细菌的生长。反硝化型厌氧甲烷氧化古菌功能基因mcrA的绝对丰度在实验反应器中比对照组高1.6-2.2倍，说明初始硝酸盐添加刺激了反硝化型厌氧甲烷氧化古菌的生长，其还原硝酸盐产生的亚硝酸为厌氧氨氧化细菌提供了独特的稳定电子受体。研究提出了一个多途径反硝化机制，涉及异养反硝化、自养反硝化和反硝化型厌氧甲烷氧化过程，它们协同为厌氧氨氧化细菌提供亚硝酸盐，其中不同亚硝酸盐生产途径的相对贡献估计为异养反硝化＞硫驱动自养反硝化＞反硝化型厌氧甲烷氧化。该技术方案还可在污水处理厂中实现污水污泥向厌氧氨氧化菌种的升级回收，形成完整的资源循环利用体系。

图4. 16S rRNA扩增子高通量测序和基因芯片分析

要点：

图4通过16S rRNA扩增子高通量测序和基因芯片分析了微生物群落结构和功能基因变化。在培养阶段，实验反应器中检测到"Candidatus Brocadia"和"Candidatus Jettenia"，而对照组中未检测到这些anammox细菌，实验反应器中"Candidatus Brocadia"成为优势厌氧氨氧化菌属，相对丰度为0.35%-2.64%，而对照组中优势anammox菌属为"Candidatus Jettenia"。单因素相关网络分析表明，在培养和富集阶段，厌氧氨氧化细菌群落的核心共生菌属包括异养反硝化细菌Denitratisoma和硫驱动自养反硝化细菌Thiobacillus，这些在成熟阶段被其他菌属所取代。碳氮磷硫基因芯片分析显示，实验反应器中hzsB、mcrA、manB和soxY基因是增长最快的功能基因，分别负责氮循环、甲烷代谢、碳循环和硫循环，其中hzsB基因的绝对丰度比对照组高两个数量级。这些结果表明硝酸盐显著刺激了混合营养型反硝化代谢，促进了厌氧氨氧化细菌的生长和功能表达。

总结与展望

本研究成功开发了一种原位硝酸盐驱动氧化方法，可将污水污泥高效转化为高价值的厌氧氨氧化菌种，实现了污泥资源化与低碳脱氮技术的有机结合。该方法通过添加硝酸盐氧化污泥中的内源性还原剂产生亚硝酸盐，为厌氧氨氧化细菌生长提供电子受体，使厌氧氨氧化反应启动时间缩短64%，并在90天内形成具有生物标志物的厌氧氨氧化颗粒，成熟种子的脱氮效率超过厌氧氨氧化过程理论最大值，达到90%以上。

与传统的直接添加铵和亚硝酸盐的方法相比，硝酸盐驱动方法具有显著优势硝酸盐毒性较低且能更有效地氧化污泥中的内源性还原物质，减少这些还原物质对厌氧氨氧化细菌的抑制效应，同时通过诱导混合营养型反硝化过程持续稳定地释放亚硝酸盐，形成有利于微生物共生网络生存的自我调节生态位，大大降低了亚硝酸盐积累抑制厌氧氨氧化细菌生长的风险，实现了反硝化细菌与厌氧氨氧化细菌的协同共生。该方法技术简单、易于实施，只需添加硝酸盐，培养周期短于2个月，且不需要厌氧氨氧化过程的初始底物铵和亚硝酸盐，具有很高的经济性和可持续性。

未来大规模应用可考虑两种硝酸盐来源：农业肥料（如硝酸铵钙）或实际富硝酸盐废水（如电镀和钢铁制造业废水）。这一简单、高效、经济且可重复的方法为未来低碳足迹的污水污泥可持续处理提供了基于厌氧氨氧化技术的新途径，有望推动污水处理厂向碳中和运行转型，实现废物资源化与环境保护的双重目标。后续研究可进一步优化硝酸盐投加策略、探索不同来源污泥的适应性以及评估实际工程应用的经济和环境效。

原文链接：

https://www.nature.com/articles/s41893-025-01635-4

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