好氧颗粒污泥中部分反硝化和硝化杆菌混合营养生长对微生物分布的影响

作者及机构
本研究由Mari-K. H. Winkler（根特大学生物系统工程系；华盛顿大学土木与环境工程系）、Quan H. Le和Eveline I. P. Volcke（根特大学生物系统工程系）合作完成，发表于2015年8月的《Environmental Science & Technology》期刊。

学术背景
好氧颗粒污泥（Aerobic Granular Sludge, AGS）是一种新型废水处理技术，通过颗粒化生物膜实现同步碳、氮、磷的去除。与传统活性污泥（Conventional Activated Sludge, CAS）不同，AGS中硝化杆菌（Nitrobacter）而非硝化螺菌（Nitrospira）成为优势亚硝酸盐氧化菌（Nitrite-Oxidizing Bacteria, NOB），且NOB/氨氧化菌（Ammonia-Oxidizing Bacteria, AOB）比例异常升高（可达3:1）。这一现象无法仅由AOB提供的亚硝酸盐（NO₂⁻）解释，因此作者提出两种假设：
1. 亚硝酸盐循环（Nitrite-loop）：异养菌部分反硝化产生额外NO₂⁻供NOB利用；
2. 乒乓效应（Ping-pong）：硝化杆菌通过混合营养生长（mixotrophic growth）利用乙酸等有机物，脱离对AOB的依赖。
研究目标是通过数学模型验证这两种途径对微生物分布的影响，并探讨其对一氧化氮（NO）排放的潜在贡献。

研究流程
1. 模型构建
- 基础模型（Basic Model）：包含反硝化聚磷菌（DPAOs）、AOB、硝化螺菌（NOB1）和硝化杆菌（NOB2），假设反硝化为单步（NO₃⁻→N₂）。
- 亚硝酸盐循环模型（Nitrite-loop Model）：将反硝化改为两步（NO₃⁻→NO₂⁻→N₂），模拟NO₂⁻的中间积累。
- 乒乓模型（Ping-pong Model）：在基础模型上扩展硝化杆菌的混合营养生长能力，包括厌氧阶段以NO₃⁻为电子受体储存PHB（聚羟基丁酸酯），好氧阶段氧化PHB并可能释放NO。
- 整合模型（Integrated Model）：结合上述两种途径。

1. 模型校准与验证

   • 使用实验室规模AGS反应器的实验数据（如底物浓度、生物量分布）校准模型参数。
     
   • 通过Aquasim软件实现一维生物膜模型，模拟颗粒内底物梯度及微生物空间分布。
     

2. 操作条件分析

   • 考察颗粒尺寸（0.4–0.9 mm）、温度（10–30°C）和溶解氧（DO, 0.5–6 g/m³）对NOB/AOB比例及NO排放的影响。
     

主要结果
1. 微生物分布
- 亚硝酸盐循环模型：NOB/AOB比例升至2.08（基础模型为1.33），但硝化杆菌仍低于硝化螺菌（NOB2/NOB1=0.6）。
- 乒乓模型：硝化杆菌完全主导（NOB2/NOB1=65），但NOB/AOB比例未显著升高（1.01）。
- 整合模型：同时实现高NOB/AOB比例（2.56）和硝化杆菌优势（NOB2/NOB1=241.57），与实验数据吻合。

1. NO排放机制

   • 硝化杆菌的混合营养生长导致NO释放（0.69 g NO-N/m³/周期，占氮负荷1.37%）。
     
   • NO排放量与NOB2/AOB比例呈正相关（R²=0.84），高温（30°C）和低DO（0.5 g/m³）会加剧排放。
     

2. 操作条件影响

   • 温度升高（10→30°C）使NOB/AOB比例从1升至3.8；
     
   • DO降低（6→0.5 g/m³）增加颗粒内缺氧体积，促进NO产生；
     
   • 颗粒尺寸超过0.7 mm后，因氧传质限制导致NOB活性和NO排放下降。
     

结论与价值
1. 科学意义
- 首次通过数学模型证实AGS中硝化杆菌的优势由“亚硝酸盐循环”和“混合营养生长”共同驱动，揭示了微生物代谢灵活性对群落结构的调控机制。
- 提出硝化杆菌的混合营养生长可能是污水处理中NO排放的新来源，为温室气体控制提供理论依据。

1. 应用价值
   
   • 优化AGS工艺参数（如DO、温度）可调控NOB群落，提升脱氮效率；
     
   • 需警惕高温运行时NO排放风险，为低碳污水处理设计提供参考。
     

研究亮点
1. 创新方法：整合代谢模型与生物膜空间梯度，首次量化两种途径对NOB分布的贡献。
2. 重要发现：
- 硝化杆菌通过混合营养生长占据生态位优势；
- 部分反硝化提供的NO₂⁻是维持高NOB/AOB比例的关键。
3. 跨学科意义：结合环境微生物学与过程工程，为废水处理微生物生态研究提供新范式。

其他有价值内容
- 研究指出硝化杆菌基因组缺乏一氧化氮还原酶（NOR），支持NO为反硝化终产物的假设；
- 通过参数敏感性分析，明确温度对AOB内源呼吸速率的影响是NOB/AOB比例升高的主因。