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化工进展Chemical Industry and Engineering Progress2023 年第 42 卷第 7 期淬灭酶对亚硝化-混合自养脱氮系统的影响陈娜，张肖静，张楠，马冰冰，张涵，杨浩洁，张宏忠（郑州轻工业大学材料与化学工程学院，环境污染治理与生态修复河南省协同创新中心，河南 郑州 450001）摘要：群体感应是微生物间的通信机制，群体淬灭则可通过降解群体感应信号分子来调控微生物行为。本研究通过设置空白对照组R1和实验组R2，探究了群体感应淬灭酶（AHLs酰基转移酶，2mol/L）对亚硝化-混合自养脱氮工艺性能及微生物群落的影响。结果表明，淬灭酶的加入促进了短程内源反硝化过程并抑制了厌氧氨氧化过程。与R1相比，R2各阶段的总氮去除率平均降低11.1%。R2出水中氨氮和硝氮浓度略低于R1，但出水亚硝氮整体较 R1 升高 19.0mg/L。添加群体淬灭酶使胞外聚合物的含量降低了 18.2mg/g，使溶解性微生物产物升高了17.1mg/L。2mol/L淬灭酶使羟胺氧化还原酶活性由0.80EU/g增长为0.99EU/g，细胞色素c（Heme-c）含量由0.002mmol/g增至0.004mmol/g，Nitrosomonas亚硝化菌和Hyphomicrobium、Thermomonas、Truepera等反硝化菌相对丰度均增加，其中Thermomonas的相对丰度增长幅度最大，由0.28%增长至9.04%。实验结果为群体淬灭技术应用于亚硝化-混合自养脱氮过程的调控提供了理论参考。关键词：亚硝化；自养脱氮；群体感应；淬灭酶；含氮废水中图分类号：X703 文献标志码：A 文章编号：1000-6613（2023）07-3816-08Effect of quenching enzymes on partial nitrification-mixed autotrophic nitrogen removal systemCHEN Na，ZHANG Xiaojing，ZHANG Nan，MA Bingbing，ZHANG Han，YANG Haojie，ZHANG Hongzhong(Henan Collaborative Innovation Center of Environmental Pollution Control and Ecological Restoration,School of Material and Chemical Engineering,Zhengzhou University of Light Industry,Zhengzhou 450001,Henan,China)Abstract:Quorum sensing is one kind of communication mechanism between the microorganisms,while quorum quenching can regulate microbial behavior by degrading quorum sensing signaling molecules.In this study,the effects of quorum quenching enzyme(AHLs acyltransferase,2mol/L)on the performance and microbial characteristics of partial nitrification-mixed autotrophic nitrogen removal process were investigated by adopting blank control group R1 and experimental R2.The results showed that the addition of quenching enzyme promoted the partial endogenous denitrification process but inhibited the anammox process.Compared with R1,the nitrogen removal in R2 was always around 11.1%or lower.The concentration of ammonia and nitrate in the effluent of R2 was slightly lower than those of R1,but the effluent nitrite was 19.0mg/L higher than that of R1.The addition of quorum quenching enzyme reduced the content of extracellular polymeric substances by 18.2mg/g,and increased the soluble microbial 研究开发DOI：10.16085/j.issn.1000-6613.2022-1553收稿日期：2022-08-22；修改稿日期：2022-12-10。基金项目：河南省高校科技创新人才支持计划（20HASTIT014）；河南省污染水体水质检测、净化及生态修复创新型科技团队（CXTD2015023）。第一作者：陈娜（1998），女，硕士研究生，研究方向为污水生物处理新技术。E-mail：。通信作者：张肖静，博士，副教授，硕士生导师，研究方向为污水生物处理新技术。E-mail：。引用本文：陈娜,张肖静,张楠,等.淬灭酶对亚硝化-混合自养脱氮系统的影响J.化工进展,2023,42(7):3816-3823.Citation：CHEN Na,ZHANG Xiaojing,ZHANG Nan,et al.Effect of quenching enzymes on partial nitrification-mixed autotrophic nitrogen removal systemJ.Chemical Industry and Engineering Progress,2023,42(7):3816-3823.38162023年7月陈娜等：淬灭酶对亚硝化-混合自养脱氮系统的影响products by 17.1mg/L.Compared with R1,2mol/L quenching enzyme increased the hydroxylamine oxidoreductase activity from 0.80EU/g to 0.99EU/g,and elevated the content of Heme-c from 0.002mmol/g to 0.004mmol/g.The relative abundance of Nitrosomonas,Hyphomicrobium,Thermomonas and Truepera all increased.The Thermomonas presented the highest increase,which rose to 9.04%from 0.28%.The experimental results provide a theoretical reference for the application of quorum quenching technology to the regulation of partial nitrification-mixed autotrophic nitrogen removal process.Keywords:partial nitrification;autotrophic nitrogen removal;quorum sensing;quenching enzyme;nitrogenous wastewater目前脱氮仍是污水处理领域的研究重点，特别是低碳氮比（C/N）条件下的高效脱氮问题仍亟待解决。传统的硝化反硝化工艺因受碳源不足的影响，脱氮效率严重下降1。自养脱氮技术作为一种新型脱氮技术，可在低氧环境和无需有机碳源的条件下，实现脱氮2。据不完全统计，我国大约有65%以上的污水处理厂存在进水碳源不足的现象，针对于此，基于厌氧氨氧化的自养脱氮技术表现出明显优势3。由于自养脱氮系统中缺乏有机质，且系统污泥龄较长，因此系统中在伴随大量微生物凋亡释放出原生质时，易诱导内源反硝化的产生；另一方面在厌氧或缺氧条件下，部分微生物能够吸收挥发性脂肪酸将其转化为内部储能物质，外部碳源不足时可分解胞内聚合物进行内源反硝化4-7。因此，本研究建立了亚硝化-混合自养脱氮工艺（厌氧氨氧化和内源反硝化），用于处理低C/N废水。据报道，亚硝化菌、反硝化菌及厌氧氨氧化菌均具有群体感应性能8-10，因此，该工艺极有可能受到群体感应的影响。群体感应是微生物间的通信机制，通过释放信号分子调控微生物的基因表达、胞外聚合物（extracellular polymeric substance，EPS）的分泌、生物膜的形成和蛋白酶的合成等11。群体淬灭则是群体感应的反过程。群体感应淬灭酶可以分解微生物之间用于交流的信号分子，从而使群体感应减弱或失效。目前研究较多的淬灭酶主要是酰基高丝氨酸内酯（acyl homoserine lactone，AHLs）介导的群体感应淬灭酶，包括AHLs-内酯酶、AHLs-酰基转移酶以及AHLs-氧化还原酶。2009年，Yeon等12首次将酰基转移酶应用于污水深度处理的膜生物反应器（membrane bioreactor，MBR）中，发现AHL-酰基转移酶能使AHLs类信号分子淬灭，从而防止生物膜的产生，减缓膜污染。随后，Kim等13通过压力作用直接将酰基转移酶固定在膜组件上，发现能够显著抑制生物膜生长，有效缓解了膜堵塞现象。在此背景下，相关研究也不断拓宽，如崔雪燕9通过研究酰基转移酶对菌株反硝化的影响，发现20mg/L的淬灭酶对菌株生长并未造成影响，但对反硝化过程具有明显的促进作用。但这类研究大多关注微生物菌株的变化或者膜污染控制方面，未对反应系统的脱氮性能变化进行深入探究。因此，本文以亚硝化-混合自养脱氮系统为研究对象，跟踪分析群体感应淬灭酶-AHLs酰基转移酶对反应体系脱氮性能、EPS、溶解性微生物产物（soluble microbial products，SMP）的分泌、关键酶活和微生物群落的影响，探究淬灭酶对亚硝化-混合自养脱氮工艺的调控作用，以期为低C/N废水的高效低耗处理提供理论支持，并为生物脱氮处理技术提供新的探索途径。1 材料与方法1.1 实验设置本研究接种污泥采用培养良好的MBR反应器中的自养脱氮活性污泥。该MBR已经在实验室运行两年以上，在进行本文实验之前，MBR的水力停留时间为18h，除了每天取样带走的泥量，没有额外排泥，膜组件也保证了所有污泥被截留在反应器中。因此，该MBR中存在大量死亡微生物残体释放的SMP，进而为内源反硝化提供了碳源14。该反应器中氨氮的氧化主要以亚硝化为主，总氮去除以亚硝化-内源反硝化为主，同时含有微量的厌氧氨氧化过程，但并未检测到厌氧氨氧化菌。接种污泥的总氮去除负荷约为0.2kg/(m3d)，混合液悬浮固体（mixed liquor suspended solids，MLSS）的质量浓度为10g/L。将接种污泥混匀后等分至2个血清瓶中，分别命名为 R1 和 R2，R1 作为空白对照不加淬灭酶，R2中加入2mol/L的淬灭酶，其他运行条件完全相同。两个反应器置于摇床，每天于150r/min条件下避光反应18h，整个实验运行30d。每个周期设置 化工进展，2023，42（7）如下：进水 5min，反应 18h，静置 0.5h，换水5min，换水比控制在70%，剩余时间静置。具体运行参数见表1。淬灭酶为酰基转移酶（C30H34Cl