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16S+芯片联合分析 从“废物”到“资源”：通过原位硝酸盐驱动的氧化将污水污泥转化为厌氧氨氧化种泥
发布时间：
2026-05-14
如何将污水污泥从“污染物”转变为“资源”，成为当前环境工程领域的重要课题。本文作者提出了一种创新性的解决方案：通过原位硝酸盐驱动的氧化过程，将污水污泥直接转化为高附加值的厌氧氨氧化种泥，不仅实现了污泥的资源化利用，还为解决污水处理中“低碳脱氮”难题提供了关键技术支撑。
通过原位硝酸盐驱动的氧化将污水污泥转化为厌氧氧化种泥
Upcycling sewage sludge into anammox seeds via in situ nitrate-driven oxidation
作者：Hao Sheng , Jiawei Liu & Yayi Wang
期刊/IF：Nature Sustainability（27.1）
发表时间：2025.09.17
组学：16S、碳氮磷硫功能基因芯片
样品类型：污泥
文章链接：https://doi.org/10.1038/s41893-025-01635-4
实验流程
1 摘要
污泥是污水生物处理过程中不可避免的副产物，其造成的环境负担日益加重。如果处理得当，它也是一种重要的二次资源，因为它含有许多功能微生物组和有用的营养物质。本文作者提出了一种原位硝酸盐驱动的氧化方法，将提升改造污泥氧化成有价值的( >US$4,000 m−3)厌氧氨氧化( anammox )种泥，这是实现厌氧氨氧化工艺-低碳脱氮工艺-在生物污水处理设施中快速启动的关键组成部分。该方法可以有效地升级富含内源性还原剂（如有机物和硫基化合物）但缺乏氧化剂的污水污泥。具体来说，该方法使用含硝酸盐的废水作为氧化剂来源，利用硝酸盐氧化污泥中的还原剂，为厌氧氨氧化菌的生长提供亚硝酸盐。这种方法可以在45 天内启动厌氧氨氧化种泥，并在90 天内形成具有生物标志物的厌氧氨氧化种泥。这项工作揭示了污泥作为功能微生物来源的潜力，并为可持续的污水管理开辟了一条新途径。
2 主要结果
2.1 研究过程
（1）反应器进水条件
本研究将厌氧氨氧化种泥的培养过程划分为三个阶段：培养阶段（第1–37天）仅添加硝酸盐，对照组则加入铵和亚硝酸盐；富集阶段（第38–102天）开始出现明显厌氧氨氧化现象，通过逐步提高进水中的铵和亚硝酸盐浓度促进种泥富集，总无机氮（TIN）由初始的32.5 mg N L-1大幅升高至超过540 mg N L-1；成熟阶段（第103–210天）将运行周期调整为2–3天，最终控制组与实验组进水TIN均稳定在903.0 mg N L-1，表明厌氧氨氧化种泥已成功适应高氮负荷并维持长期稳定的脱氮性能。此外，研究还通过批式试验探讨了不同硝酸盐投加量的影响，以确定最佳投加区间。
图1 厌氧氨氧化种泥培养阶段（第1–37天）及富集阶段（第38–102天）中理化参数的变化
图2 厌氧氨氧化种泥成熟阶段（第103至210天）及72小时原位批式试验（第207至210天）中理化参数的变化情况
（2）培育与富集阶段
通过对比实验反应器与对照组发现，实验组在第17天即出现厌氧氨氧化现象，较对照组（第47天）提前约64%，表明原位硝酸盐驱动氧化方法可显著缩短反应启动时间。实验初期（第1–15天）实验反应器内亚硝酸盐浓度由0.3 mg N/L升至16.6 mg N/L，随后在第17天起铵与亚硝酸盐同步下降，证实厌氧氨氧化反应成功启动。在富集前期（第38–61天），实验组对铵、亚硝酸盐和总无机氮（TIN）的平均去除率（分别为56%、82%和60%）均显著高于对照组（31%、51%和35%），且TIN去除效率提升25%。至富集末期（第92–102天），两组出水pH均上升，但TIN去除效率出现下降；为缓解游离氨抑制，系统进水pH由7.8下调至7.1。
（3）成熟阶段
在本阶段，对照组与实验组反应器的平均TIN去除效率（分别为92.3% ± 1.0%和90.1% ± 2.4%）均超过厌氧氨氧化理论最大值（89%），同时出水COD浓度长期保持稳定（41 ± 13–15 mg/L），说明内源性有机物持续释放有助于还原反应生成的硝酸盐，从而推动实际脱氮效率突破理论极限；¹⁵N同位素示踪分析进一步表明，实验组厌氧氨氧化速率比对照组提高约75%，其对TIN去除的相对贡献也增加55%。此外，实验观测到的ΔNO2--N/ΔNH4+-N比值（1.17 ± 0.03）和ΔNO3--N/ΔNH4+-N比值（0.15 ± 0.02）均低于理论值（分别为1.32和0.26），进一步证实厌氧氨氧化菌所产生的硝酸盐被内源性电子供体还原并重新转化为亚硝酸盐，这一循环过程促使系统总氮去除效率提升至90%以上。
表1 通过测定确定的厌氧氨氧化与反硝化过程对氮去除的贡献15N同位素示踪试验
2.2 厌氧氨氧化种泥的活性与形态特性
采用的原位硝酸盐驱动氧化方法可在约45天内获得性能良好的厌氧氨氧化种泥，并实现铵、亚硝酸盐同步去除及TIN去除率超过50%，显著短于对照组所需的60天以上；所获种泥在后续38–61天内TIN去除效率较对照组高25%。实验还发现，仅在实验反应器中于90天逐渐形成粉红色颗粒状种泥，并在成熟阶段进一步转为深红色，而对照组全程未见同类颗粒，这可能与实验组在培养阶段进水Ca2+浓度较高（169.7–594.0 mg·L-¹）促进污泥絮凝有关。种泥形态在培养阶段由黑色糊状先后转为棕色絮状及颗粒状，富集阶段出现粉红色颗粒并逐步变为亮红色，最终在成熟阶段形成深红色颗粒，体现了厌氧氨氧化颗粒的完整成熟过程。
2.3 微生物群落演替
通过16S rRNA扩增子测序对污泥微生物群落进行分析，发现在培养阶段（第1–37天）实验反应器中已检出“Candidatus Brocadia”（0.009%–0.14%）和“Candidatus Jettenia”（0–0.006%），而对照组均未检出；同时实验组中厌氧氨氧化功能基因hzsB的丰度较对照组高1.01–3.71倍，该趋势在硝酸盐投加范围为118.6–593 mg N·L-1的批次试验中也一致存在。在后续阶段（第38–210天），实验组中“Ca. Brocadia”成为优势菌属（相对丰度0.35%–2.64%），而对照组自第100天起则以“Ca. Jettenia”为主（1.15%–6.51%），反映出不同运行条件下厌氧氨氧化菌属的演替差异及其对反应器性能的潜在影响。
图3 原位硝酸盐驱动氧化系统的性能
2.4 关键功能基因代谢途径
基于第5、27和37天的样本开展碳氮磷硫（CNPS）代谢功能基因分析，发现实验反应器中关键功能基因的表达显著增强，其中编码肼合成酶的hzsB基因（厌氧氨氧化关键酶）丰度比对照组高两个数量级，而mcrA基因（关联硝酸盐型厌氧甲烷氧化古菌）绝对丰度达对照组的16.5倍，且与DAMO古菌相关的mcrA基因在培养阶段也持续高于对照组1.6–2.2倍，说明硝酸盐添加有效促进了DAMO过程，为厌氧氨氧化菌提供了稳定的亚硝酸盐来源。系统内同时存在异养、硫驱动自养及DAMO等多种反硝化途径协同供给亚硝酸盐，其贡献依次为异养反硝化 > 硫驱动自养反硝化 > DAMO。此外，乙酰辅酶A碳固定途径以及manB、soxY等相关碳、硫代谢基因表达也显著增强，表明硝酸盐驱动策略有效激活了混合营养型反硝化代谢，并促进了厌氧氨氧化菌的生长与系统代谢网络的整体强化。
图4 16S rRNA扩增子高通量测序与基因芯片分析
3 讨论
本研究提出一种具有高附加值的新型污泥资源化方法，即通过仅添加硝酸盐的原位氧化过程，将污水污泥直接转化为高活性的厌氧氨氧化种泥，实现污水厂内部污泥的可持续循环。与传统需投加铵和亚硝酸盐的启动方式相比，该方法具备多重优势：硝酸盐本身毒性低、环境风险小，且能有效氧化污泥内源有机物与含硫物质，通过诱导混合营养型反硝化持续、稳定地生成亚硝酸盐，既缓解了对厌氧氨氧化菌的可能抑制，也促进了其与反硝化菌群形成自我调节的共生网络。该方法操作简便，培养周期可缩短至两个月内，无需外源提供铵和亚硝酸盐，且可利用廉价化肥或工业含硝酸盐废水作为氮源，具备良好的经济性与推广可行性，为实现低碳、可持续的污水-污泥协同处理提供了技术支撑。
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