关于活性污泥在低温（4°C）条件下对寒冷环境的适应能力及其氮、磷代谢机制的见解

《Journal of Cleaner Production》：Insights into the cold adaptability, nitrogen, and phosphorus metabolism mechanism of active sludge in response to low temperature (4 °C)

　　低温下活性污泥的污染物去除及微生物代谢机制研究。通过直接暴露实验发现，4°C下污泥的硝化（AMO、NAR酶活性增幅18.42%-79.18%）、反硝化（NIR、NOR、NO?R酶活性增幅16.04%-105.28%、3.71%-82.17%、10.02%-43.62%）及磷去除相关基因丰度均显著提升，出水NH??-N、TN、TP浓度分别达0.31、9.78、0.05 mg/L。研究揭示了微生物通过增强NADPH释放、电子传递、移动能力及物质运输等机制适应低温，为寒区污水处理提供理论支撑。

　　

王寅|唐涛涛|何强|黄福晓

重庆大学环境与生态学院，重庆，400045，中国

摘要

4°C的温度被认为是微生物生长的一个难以突破的极限。迄今为止，很少有研究证明微生物能够在这一温度下有效去除污水中的氮和磷污染物。据我们所知，这是首次系统地研究活性污泥直接暴露在4°C下对污染物去除效率、微生物活性和代谢机制的影响。研究结果表明，硝化酶（氨单加氧酶（AMO）和硝酸盐还原酶（NAR）以及反硝化酶（亚硝酸盐还原酶（NIR）、一氧化氮还原酶（NOR）和一氧化二氮还原酶（NO₂R）的活性分别增加了18.42%–79.18%、16.04%–105.28%、3.71%–81.22%、10.02%–43.62%和6.77%–82.17%。同时，积累磷的基因丰度增加了35.84%–52.54%。因此，出水中的NH₄⁺-N、总氮（TN）和总磷（TP）的平均浓度分别为0.31 mg/L、9.78 mg/L和0.05 mg/L。微生物通过增强碳代谢过程中NADPH的释放、微生物间的电子转移、微生物的移动性和物质运输能力来提高其对低温（4°C）的适应性。这些发现克服了低温对污泥生长和代谢的技术瓶颈，为寒冷地区废水处理技术的升级提供了理论基础。

引言

活性污泥工艺是一种常用的生物处理方法，对于去除废水中的氮和磷非常重要（Zheng等人，2024年）。该工艺完全依赖于微生物的活性和代谢速率，而温度是影响微生物活性和代谢的关键因素。由于地理和气候的差异，中国不同地区的污水温度差异显著。在中国北部，冬季的污水温度在8到15°C之间，而在西部的高山和高海拔地区，水温可降至4°C（Ni等人，2024年；Tang等人，2024年）。通常，活性污泥工艺的最佳运行温度为22–37°C。当温度低于15°C时，该工艺处理污水的效率会受到抑制（Li等人，2025a；Xie等人，2025年）。

与其他污染物相比，低温对微生物的氮去除性能影响最为严重。Wang等人（2022a）发现，在温度低于15°C时，NH₄⁺-N和TN的去除效率分别下降了15%和45%。Liu等人（2024年）也发现，当温度从30°C降至12°C时，TN的去除效率从82.90%下降到53.90%。随着温度的降低，微生物的氮去除作用进一步受到抑制（Bai等人，2025年）。在温度低于10°C时，硝化速率和反硝化速率分别下降了30%和95%（Tian等人，2024年；Yang等人，2019年）。当温度降至5°C时，硝化反应几乎停止（Xu等人，2014年）。最近的研究发现，低温主要影响微生物对氮的积累和转移及其氮去除能力（Zhou等人，2023年）。此外，低温还会通过削弱电子转移来抑制微生物的氮去除效率（Wang等人，2022b）。因此，克服低温对氮去除微生物的抑制一直是研究的重点。

逐步降温是一种有效措施，可以确保微生物在低温下保持强烈的代谢活性（Wang等人，2024a；Liu等人，2024年；Zhou等人，2025年）。Xie等人（2025年）发现，活性污泥在逐步降温后仍能在12°C下保持较强的氮去除能力。尽管逐步降温可以在一定程度上提高活性污泥对低温的适应性，但仍然难以确保其在5°C下的氮去除性能（Wang等人，2024a，Wang等人，2024b，Wang等人，2024c）。同时，逐步降温也会大大延长反应器的启动时间，使得这种模式在污水处理厂（WWTPs）中的应用变得困难。因此，快速促进低温微生物的生长一直是寒冷地区污水处理厂的挑战。最近的研究发现，使用低温培养模式可以显著提高活性污泥的氮去除能力。Tang等人（2024年）发现，将活性污泥在8°C下培养后，其耐寒性和氮去除性能逐渐增强，即使在3°C下仍具有较强的反硝化能力。现有的研究主要集中在温度从高到低变化时微生物群落结构的变化，但尚未研究活性污泥在直接暴露于4°C下的生长和代谢机制的变化。此外，迄今为止尚未系统地研究微生物的降温机制（Huang等人，2024年）。因此，有必要研究活性污泥在直接暴露于4°C时对低温的响应机制，并分析微生物的代谢机制。

总之，关于活性污泥在直接暴露于4°C时污染物去除效率和微生物代谢机制的研究仍然不足。因此，本研究重点关注了活性污泥在4°C下的污染物去除效率的变化。通过监测出水来确定碳、氮和磷的去除效率。同时，还研究了污泥的形态、特性和功能酶活性。最后，利用分子生物学技术研究了活性污泥在4°C下的代谢机制和微生物群落结构。

部分摘录

反应器设置和操作

使用有机玻璃制作了一个工作体积为10 L的实验室规模序批式反应器（SBR）（图1a）。在反应器底部放置了一个曝气盘，在顶部放置了一个搅拌器。反应器直接在4°C下启动。为了保持4°C的温度，所有实验设备都放置在4°C的冷冻箱中，包括SBR反应器、蠕动泵、进水池和曝气泵。反应器放置在冰箱的中间位置，以确保

反应器操作

图2显示了系统在160天内的长期运行数据。在第一阶段，出水COD浓度为11.39 ± 7.60 mg/L，平均去除效率为94.37%。与COD不同，系统在启动后去除NH₄⁺-N的能力受到严重抑制，因为4°C下硝化细菌的生长较为困难（Chen等人，2018年）。在最初的21天内，出水中的NH₄⁺-N浓度逐渐从31.76 mg/L下降到7.71 mg/L，去除效率

结论

本研究证明了在4°C下直接培养耐低温活性污泥的可行性。活性污泥的生物量和氮去除功能酶活性在4°C下显著增加。NH₄⁺-N和TN的去除效率分别超过了95%和70%。同时，去除氮和磷的微生物的丰度在4°C下显著提高。硝化酶（amoA）、反硝化酶（nirS/nirK）的丰度也有所增加

作者贡献声明

王寅：资金获取。唐涛涛：撰写 – 审稿与编辑，撰写 – 原稿，方法学，研究，数据分析。何强：撰写 – 审稿与编辑，撰写 – 原稿。黄福晓：撰写 – 审稿与编辑，撰写 – 原稿。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能会影响本文工作的财务利益或个人关系。

致谢

本项目得到了四川省住房和城乡建设厅（SCJSJB2023-01）和国家重点研发计划（2024YFC3810201）的支持。我们感谢Home for Researchers编辑团队（www.home-for-researchers.com）提供的语言编辑服务。