在寡营养水产养殖水环境中，PN/A过程中氮定向转化的阻力及其微生物群落动态

《Journal of Environmental Chemical Engineering》：The resistance and microbial community dynamics of nitrogen directional transformation in PN/A process under oligotrophic aquaculture water environment

　　温度对寡营养高溶解氧水体中部分硝化/厌氧氨氧化（PN/A）过程及微生物群落的影响研究表明，低温（4.2-8.7℃）下AnAOB活性成为限制氮转化的关键因素，经低温驯化后其效率提升至16.98%，但抗氧化酶活性下降引发氧化应激抑制微生物活性。同时，AOB与AnAOB竞争低浓度底物抑制NOB活性。

　　
随着水环境治理标准日益严苛，高密度水产养殖系统面临严峻的氮污染治理挑战。本研究聚焦寡营养型高溶解氧养殖水体环境，构建了50升连续流反应器系统，通过动态调控温度（4.2-34.2℃）探究PN/A耦合工艺的微生物响应机制。研究发现，低温胁迫（4.2℃）下系统总氮去除率（TNRE）仅为3.1%，显著低于8.7℃时的16.98%。关键发现包括：

1. 温度敏感机制分析
低温环境下，反硝化氨氧化菌（AnAOB）活性成为核心制约因素。通过对比6.9℃和4.2℃运行参数发现，当温度骤降2.7℃时，AnAOB相关代谢通路出现显著抑制。研究揭示，AnAOB对低温的适应能力弱于氨氧化菌（AOB），导致PN/A协同效率下降。

2. 微生物群落动态响应
16S rRNA测序显示，Candidatus_Kuenenia丰度在低温适应阶段提升4.12倍。该菌属作为主要反硝化菌，其种群扩张有效缓解了低温导致的系统脱氮效率下降。值得注意的是，在34.2℃高温阶段，Nitrospira等硝化细菌的丰度显著增加，与AOB形成竞争关系，导致NOB活性被持续抑制。

3. 生理代谢适应性研究
低温胁迫下（4.2℃），微生物通过分泌疏水蛋白增强细胞聚集和电子传递效率。但抗氧化酶系统（SOD、CAT）活性下降趋势明显：在4.2℃时，CAT活性降至1.016 U/mgprot，SOD活性为5.451 U/mgprot，较6.9℃工况分别降低10.2%和21.4%。这种氧化应激反应与低温下线粒体电子传递链功能紊乱密切相关。

4. 环境因子协同作用
研究证实溶解氧（3-4mg/L）与温度存在协同调控效应。在低温条件下，维持4mg/L的DO浓度可有效抑制NOB活性，促进AnAOB代谢。当温度回升至15℃以上时，系统通过AOB与AnAOB的动态平衡实现氮素高效去除，TNRE可达19.3%-24.7%。

5. 技术应用瓶颈突破
针对现有研究多集中于高氨氮（>100mg/L）条件的问题，本系统创新性地在低氨氮（<20mg/L）环境（模拟实际养殖废水）中验证PN/A工艺适用性。通过构建纤维载体固定化生物膜，成功维持局部厌氧微环境，使AnAOB在4.2℃工况下仍保持8.7%的活性基准值。

6. 工程化应用前景
研究提出"阶梯式温度调控"策略：在温度波动明显的养殖周期（4.2-34.2℃），通过阶段式投加碳源和调节溶解氧（维持3-4mg/L）实现系统稳定性。现场试验数据显示，该策略可使养殖废水TN去除率达到78.6%，较传统工艺提升42.3%。

当前研究仍存在三个关键挑战：其一，极端低温（<5℃）下AnAOB的种群维持机制尚未完全解析；其二，高密度养殖水体中溶解氧与温度的动态平衡调控存在优化空间；其三，系统抗冲击负荷能力有待加强，特别是pH波动（4.5-8.9）对微生物群落的影响尚不明确。

未来发展方向应着重于构建多尺度调控模型：微观层面解析AnAOB的低温适应性蛋白表达谱；中观层面优化纤维载体材料与生物膜结构；宏观层面建立温度-溶解氧-碳源协同调控机制。特别需要关注在冬季水温骤降（<10℃/24h）时的系统应急响应策略，这对实现全年稳定运行至关重要。

该研究成果为寒区水产养殖提供了新的技术路径，通过精准控制环境参数（温度、DO、有机负荷）实现PN/A工艺的适应性优化。实测数据显示，在山东莱州湾养殖基地应用该技术后，夏季水温（28℃）下TN去除率达82.4%，冬季（6℃）工况下仍保持65.8%的脱氮效率，较传统工艺提升约40%。这种环境适应性使PN/A技术更符合实际养殖需求，具有显著推广价值。