硝化菌富集载体在乡村小微水体污染修复中的机理及应用研究

雷宇; 张丹; 尚科宇; 秦瑞; 夏佳; 谢翼飞

doi:10.13205/j.hjgc.202601009

硝化菌富集载体在乡村小微水体污染修复中的机理及应用研究

doi: 10.13205/j.hjgc.202601009

雷宇^1,2,
张丹¹,
尚科宇^1,2,
秦瑞^1,2,
夏佳³,
谢翼飞^1, ,

1. 中国科学院成都生物研究所, 成都 610213;
2. 中国科学院大学, 北京 100049;
3. 西华师范大学环境科学与工程学院, 四川南充 637009

详细信息

作者简介:
雷宇（2000—），女，硕士研究生，主要研究方向为环境微生物学。leiyu221@mails.ucas.ac.cn

通讯作者:
谢翼飞（1977—），男，副研究员，主要研究方向为小流域污染综合治理技术。xieyf@cib.ac.cn

计量
- 文章访问数: 1
- HTML全文浏览量: 0
- PDF下载量: 0
- 被引次数: 0
出版历程
- 收稿日期: 2025-01-21
- 网络出版日期: 2026-02-26
- 刊出日期: 2026-01-22

Mechanism and application of a nitrifying bacteria enrichment carrier in remediation of polluted rural micro-water bodies

LEI Yu^1,2,
ZHANG Dan¹,
SHANG Keyu^1,2,
QIN Rui^1,2,
XIA Jia³,
XIE Yifei^{1
, ,}

1. Chengdu Institute of Biology, Chinese Academy of Sciences, Chengdu 610213, China;
2. University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China;
3. College of Environmental Science and Engineering, China West Normal University, Nanchong 637009, China

摘要

摘要: 针对乡村小微水体NH₃-N和COD污染突出、硝化菌群自然增殖受限及处理效能波动等问题，基于以聚己内酯为骨架的硝化菌富集载体，系统研究了其环境适应性、污染物去除效果和微生物富集机理。结果表明：1）载体在0.1%的最佳投加量下，在10~30 ℃和pH值6~9条件下均表现出良好的环境适应性，尤其对低温和偏酸、偏碱条件下的NH₃-N去除效果显著；2）载体能够实现NH₃-N和COD的协同去除，去除率均值分别达到78.39%和71.41%；3）载体表面富集了Dechloromonas、norank_f__Anaerolineaceae和Phreatobacter等硝化功能菌群，硝化功能基因（amoA和nxrA）的拷贝数持续增加，微生物活性显著提高。
- 硝化菌 /
- 微生物富集载体 /
- 生物修复 /
- 农村水体 /
- 污染治理
Abstract: To address the issues of NH₃-N and COD pollution， slow natural growth of nitrifying bacteria， and unstable treatment efficiency in rural micro-water bodies， this study examined a polycaprolactone （PCL）-based nitrifying bacteria enrichment carrier， focusing on environmental adaptability， pollutant removal efficiency， and microbial enrichment mechanisms. Key findings include： 1） The carrier showed excellent environmental adaptability at a 0.1% dosage. It performed well within a temperature range of 10 ℃ to 30 ℃ and a pH range of 6 to 9. It could achieve a significant NH₃-N removal under low-temperature and acidic/alkaline conditions. 2） The carrier enabled simultaneous NH₃-N and COD removal， with a removal rate reaching 78.39% for NH₃-N and 71.41% for COD，respectively. 3） The carrier surface enriched nitrifying functional bacteria， including Dechloromonas， norank_f__Anaerolineaceae， and Phreatobacter. Nitrification-related functional genes （amoA and nxrA） showed increased copy numbers. Microbial activity is significantly enhanced.
- nitrifying bacteria /
- microbial enrichment carriers /
- bioremediation /
- rural waters /
- pollution management

HTML全文

参考文献(49)

[1]	YANG X R. Promoting the construction of water-beauty countryside with a systematic governance concept[J]. China Water Resources，2022（12）：11-13. 杨晓茹. 以系统治理理念推进水美乡村建设[J]. 中国水利，2022（12）：11-13.
[2]	DENG R G，SONG W J，HE X J，et al. Research on practical technologies for integrated treatment of small and micro water bodies in rural areas[J]. Water Resources Planning and Design，2023（10）：71-74. 邓仁贵，宋文杰，何香建，等. 农村小微水体综合整治实用技术研究[J]. 水利规划与设计，2023（10）：71-74.
[3]	LI Y Y，XU Z，HUANG H J，et al. Main eco-environmental problems and countermeasures of rural water system[J]. China Water Resources，2021（3）：13-16. 李原园，徐震，黄火键，等. 农村水系生态环境主要问题与对策浅析[J]. 中国水利，2021（3）：13-16.
[4]	XU Z F，GAO S. Exploration of sustainable governance of rural water environment：a case study of small and micro water bodies governance in T-Town，Anhui Province[J]. Environmental Science and Management，2024，49（7）：11-15. 徐志芬，高珊. 农村水环境可持续治理研究：以安徽省T镇小微水体治理为例[J]. 环境科学与管理，2024，49（7）：11-15.
[5]	QIAN Z Y. On comprehensive improvement works of rural small and micro water bodies in Hunan Province[J]. Hunan Hydro& Power，2023（3）：38-39. 钱志元. 湖南省农村小微水体综合整治工程措施研究[J]. 湖南水利水电，2023（3）：38-39.
[6]	ZHANG S Q，LIN H，ZHU Y，et al. Dynamics of endogenous nitrogen release and sedimentation in small water bodies of the Taihu Lake Plain[J]. Journal of Agro-Environment Science，2024，43（8）：1859-1868. 张声权，林涵，朱毅，等. 太湖区小微水体氮素内源释放-沉降动态规律[J]. 农业环境科学学报，2024，43（8）：1859-1868.
[7]	LIU X L，XU Y Y，SONG C，et al. Analysis of treatment technologies and measures for the urban black-stinking water body[J]. Chinese Journal of Environmental Engineering，2019，13（3）：519-529. 刘晓玲，徐瑶瑶，宋晨，等. 城市黑臭水体治理技术及措施分析[J]. 环境工程学报，2019，13（3）：519-529.
[8]	MA X S. Enrichment and physiological characteristics of complete ammonia oxidizers[D]. Jinan：Shandong University，2022. 马雪松. 全程硝化菌富集培养及生理特性研究[D]. 济南：山东大学，2022.
[9]	YANG F，DENG X Z，LIU J，et al. Effects of four mineral carriers on enrichment culture process of nitrifying microorganisms[J]. Environmental Science& Technology，2020，43（10）：27-33. 杨帆，邓学智，刘佳，等. 4种矿物质载体对硝化微生物富集培养的影响[J]. 环境科学与技术，2020，43（10）：27-33.
[10]	WANG W Y，HAN M F，WANG X L，et al. Enrichment efficiency of nitrifying bacteria in different types of carriers[J]. China Water& Wastewater，2022，38（1）：83-87. 王伟燕，韩墨菲，王晓磊，等. 硝化菌在不同载体中的富集效率研究[J]. 中国给水排水，2022，38（1）：83-87.
[11]	SOHN W，JIANG J，SU Z，et al. Microbial community analysis of membrane bioreactor incorporated with biofilm carriers and activated carbon for nitrification of urine[J]. Bioresource Technology，2024，397：130462.
[12]	LIU T，HE X，JIA G，et al. Simultaneous nitriﬁcation and denitriﬁcation process using novel surface-modified suspended carriers for the treatment of real domestic wastewater[J]. Chemosphere，2020，247：125831.
[13]	CAO K，LEI Y，PENG Y H，et al. Construction of oligotrophic composite microbial agent and its effect on combined remediation of micro-polluted source water with carriers[J]. Environmental Engineering，2025，43（7）：125-133. 曹凯，雷宇，彭宇鸿，等. 贫营养复合菌剂的构建及其与载体联合修复微污染水源水的效果研究[J]. 环境工程，2025，43（7）：125-133.
[14]	刘凤坤，赵吉臣，许敬轩，等. 耐盐好氧反硝化菌黏质沙雷氏菌HL4的分离鉴定及脱氮性能[J]. 广东海洋大学学报，2024，44（4）：38-46. LIU F K，ZHAO J C，XU J X，et al. Characterization and nitrogen removal performance of a salt-tolerant aerobic denitrifying bacterium Serratia marcescens HL4[J]. Journal of Guangdong Ocean University，2024，44（4）：38-46.
[15]	State Environmental Protection Administration，Water and Wastewater Monitoring and Analysis Methods Editorial Board. Water and wastewater monitoring and analysis methods[M]. 4th Ed. Beijing：China Environmental Science Press，2002. 国家环境保护总局《水和废水监测分析方法》编委会. 水和废水监测分析方法[M]. 4 版. 北京：中国环境科学出版社，2002.
[16]	LIANG Y B，WEN Y X，YU Z H，et al. Influence mechanism of restoration years on the inter-root soil environment and bacterial community of Robinia pseudoacacia：a case study of the iron tailing pond governance area in northern Hebei，China[J/OL]. Environmental Science.（2025-01-29）[ 2025-12-12]. https：//doi.org/10.13227/j.hjkx.202409129. 梁阅兵，温雅轩，于俎涵，等. 恢复年限对刺槐根际土壤环境及细菌群落的影响机制：以冀北铁尾矿库治理区为例[J/OL]. 环境科学（2025-01-29）[ 2025-12-12]. https：//doi.org/10.13227/j.hjkx.202409129.
[17]	KIM K，MAJI U J，SHIM K Y，et al. Detection of the jellyfish Chrysaora pacifica by RPA-CRISPR-Cas12a environmental DNA（eDNA）assay and its evaluation through field validation and comparative eDNA analyses[J]. Science of the Total Environment，2024，955：176945.
[18]	LIU Q C，WANG H W，LIU R W，et al. Efficiency of coagulation-ozone oxidation on the removal of organic micropollutants from biotreated leachate[J]. Chemical Industry and Engineering Progress，2024，43（S1）：545-554. 刘青晨，王华伟，刘荣稳，等. 混凝-臭氧氧化对渗滤液生化出水有机微污染物的去除效果[J]. 化工进展，2024，43（增刊1）：545-554.
[19]	LI M，FU L Y，TAN Y，et al. Pilot Study of advanced treatment of petrochemical wastewater by Mn-Ce/γ-Al₂O₃ catalytic ozonation[J]. Research of Environmental Sciences，2021，34（10）：2380-2388. 李敏，付丽亚，谭煜，等. Mn-Ce/γ-Al₂O₃催化臭氧氧化深度处理石化废水中试研究[J]. 环境科学研究，2021，34（10）：2380-2388.
[20]	FU L，WU C，ZHOU Y，et al. Ozonation reactivity characteristics of dissolved organic matter in secondary petrochemical wastewater by single ozone，ozone/H₂O₂，and ozone/catalyst[J]. Chemosphere，2019，233：34-43.
[21]	ZHANG J Z. A study on wastewater treatment technology and strategy of operation and management in Hongze industrial park[D]. Beijing：Tsinghua University，2017. 张景志. 洪泽工业园区废水处理技术及其运行管理策略研究[D]. 北京：清华大学，2017.
[22]	SONG C F. Preparation of PVA-SA-WG（PPF）-GA enhanced composite carriers for encapsulating nitrification bacteria and its application on degradation of ammonia wastewater[D]. Nanning：Guangxi University，2020. 宋彩风. PVA-SA-WG（PPF）-GA增强型复合载体制备及其包埋硝化细菌降解氨氮废水的研究[D]. 南宁：广西大学，2020.
[23]	ZHAO X L，LIU J Q，LI Z H，et al. Research on removing ammonia nitrogen by an entrapped carrier of immobilized nitrobacteria[J]. Technology of Water Treatment，2012，38（S1）：53-55. 赵雪莲，刘金泉，李宗慧，等. 固定化硝化菌包埋载体去除氨氮的效果研究[J]. 水处理技术，2012，38（增刊1）：53-55.
[24]	GUO J，ZHANG L，CHEN W，et al. The regulation and control strategies of a sequencing batch reactor for simultaneous nitrification and denitrification at different temperatures[J]. Bioresource Technology，2013，133：59-67.
[25]	TOMASZEWSKI M，CEMA G，ZIEMBIŃSKA-Buczyńska A. Influence of temperature and pH on the anammox process：a review and meta-analysis[J]. Chemosphere，2017，182：203-214.
[26]	LUO A T，WU L N，HE S H，et al. Research progress on influencing factors and coupling process of anaerobic ammonia oxidation technology[J]. Science& Technology Review，2024，42（4）：40-51. 罗安腾，吴莉娜，和书航，等. 厌氧氨氧化工艺影响因素及其耦合工艺研究进展[J]. 科技导报，2024，42（4）：40-51.
[27]	LI S Q，LI Z Y，LIU L，et al. The screening of low-temperature nitrifying bacteriastains and their immobilization and denitrification performance[J]. Environmental Engineering，2021，39（12）：51-58. 李思琦，李珍阳，刘琳，等. 三株低温硝化菌的筛选及其固定化脱氮性能[J]. 环境工程，2021，39（12）：51-58.
[28]	CAO X，SU K X，SONG X S，et al. Different fillers loaded with microorganisms to remove ammonia nitrogen in surface water[J]. Acta Scientiae Circumstantiae，2022，42（1）：213-221. 曹新，苏可欣，宋新山，等. 不同填料负载微生物去除地表水氨氮的研究[J]. 环境科学学报，2022，42（1）：213-221.
[29]	TENG Y，WANG L，WANG Z Y，et al. Isolation and identification of an alkalophilic facultative aerobic denitrification strain，Marinobacter sp. B3 and its denitrification performance[J]. Oceanologia et Limnologia Sinica，2024，55（2）：419-430. 滕峪，汪鲁，王占英，等. 一株嗜碱兼性好氧反硝化菌Marinobacter sp. B3的分离鉴定及脱氮性能研究[J]. 海洋与湖沼，2024，55（2）：419-430.
[30]	ZHANG Y S. Preparation of magnetic PVA-SA-Diatomite composite carrier and its application on treatment of ammonia-nitrogen wastewater by immobilized microorganisms[D]. Nanning：Guangxi University，2021. 张晏菘. 磁性PVA-SA-Diatomite复合载体的制备及固定化微生物处理氨氮废水的应用研究[D]. 南宁：广西大学，2021.
[31]	HU X S，ZHAO X L，LIU X Q，et al. Pilot test on deep nitrification of embedded nitrobacteria carriers and matching equipment[J]. Modern Chemical Industry，2018，38（7）：176-179. 胡雪帅，赵雪莲，刘希强，等. 包埋硝化菌载体深度脱氮及其配套装置中试试验研究[J]. 现代化工，2018，38（7）：176-179.
[32]	YANG H，SU S. Direct nitrification of municipal wastewater by nitrifying bioactive filler[J]. Chinese Journal of Environmental Engineering，2019，13（4）：765-772. 杨宏，苏姗. 硝化生物活性填料对市政污水的直接硝化[J]. 环境工程学报，2019，13（4）：765-772.
[33]	ZHOU Y L，ZHOU Z M，YU Z D，et al. Optimization of phosphorus and nitrogen removal process with low organic pollutant concentration[J]. China Water& Wastewater，2022，38（24）：102-107. 周亚梁，周赞民，余志达，等. 低有机物浓度下的除磷脱氮工艺优化调控研究[J]. 中国给水排水，2022，38（24）：102-107.
[34]	WU C Y，GE J，BAI L，et al. Effects and control of dissolved oxygen and free ammonia on the start-up of shortcut nitrification[J]. Technology of Water Treatment，2022，48（12）：99-102. 吴春英，葛及，白鹭，等. 溶解氧和游离氨对短程硝化启动的影响及调控[J]. 水处理技术，2022，48（12）：99-102.
[35]	WANG D N，ZHOU X T，WEI J，et al. Reduction of N₂O emission in wastewater treatment by modified basalt fiber bio-nest technology[J/OL]. China Environmental Science.（2025-01-05）[ 2025-12-12]. https：//doi.org/10.19674/j.cnki.issn1000-6923.20250005. 王丹妮，周向同，韦静，等. 基于改性玄武岩纤维生物巢的污水处理与N₂O减排研究[J/OL]. 中国环境科学.（2025-01-05）[ 2025-12-12]. https：//doi.org/10.19674/j.cnki.issn1000-6923.20250005.
[36]	ZHANG Y，CHENG X W，LIU J Q，et al. The role of Fe₂O₃ nanomodified pumice in first flush stormwater[J/OL]. Applied Chemical Industry.（2025-01-05）[ 2025-12-12]. https：//doi.org/10.16581/j.cnki.issn1671-3206.20250105.001. 张勇，程贤伟，刘佳奇，等. 氧化铁纳米改性蜂巢石在初期雨水处理中的作用[J/OL]. 应用化工.（2025-01-05）[ 2025-12-12]. https：//doi.org/10.16581/j.cnki.issn1671-3206.20250105.001.
[37]	YANG L，LI X T，REN Y X，et al. Analysis of DOM transformation in polluted urban rivers by anaerobic biofilter based on EEM-PARAFAC[J]. Research of Environmental Sciences，2022，35（7）：1615-1624. 杨垒，李晓彤，任勇翔，等. 基于EEM-PARAFAC解析厌氧生物滤池对城市污染河流中DOM的转化特性[J]. 环境科学研究，2022，35（7）：1615-1624.
[38]	LÜ J J，GONG W J，DOU Y Y，et al. The distribution of DOM in aeration pretreatment improved soil infiltration system based on FRI and PARAFAC[J]. China Environmental Science，2019，39（5）：2039-2047. 吕晶晶，龚为进，窦艳艳，等. PARAFAC和FRI解析ISI中DOM分布[J]. 中国环境科学，2019，39（5）：2039-2047.
[39]	ZHANG S，LI F F，SHI C，et al. Ozonation of domestic wastewater and acute toxicity[J]. Chinese Journal of Environmental Engineering，2017，11（6）：3468-3474. 张松，李菲菲，史晨，等. 生活污水的臭氧深度处理及其急性毒性[J]. 环境工程学报，2017，11（6）：3468-3474.
[40]	PONCE-J S J，VALENZUELA E I，RANGEL-M J R，et al. Anoxic nitrification with carbon-based materials as terminal electron acceptors[J]. Bioresource Technology，2024：130961.
[41]	YUAN M，JIANG X，JING B，et al. Effects of tourmaline on the establishment，idling，and recovery of partial nitrification：Mechanistic understanding and performance evaluation[J]. Chemical Engineering Journal，2024，500：157094.
[42]	TIAN X D，ZHANG S J，YANG A M，et al. Study on start-up and operation of partial denitrification filter in municipal wastewater treatment plant[J]. China Environmental Science，2020，40（3）：1068-1074. 田夏迪，张树军，杨岸明，等. 城市污水厂部分反硝化滤池启动及运行[J]. 中国环境科学，2020，40（3）：1068-1074.
[43]	MA X J. Bacterial Population characteristics and nitrogen-degrading bacteria screening in Tianjin coastal constructed wetland[D]. Beijing：Chinese Research Academy of Environmental Sciences，2021. 马香菊. 天津滨海人工湿地细菌种群特征及氮降解菌筛选[D]. 北京：中国环境科学研究院，2021.
[44]	HUANG X，ZHANG Z，REN X，et al. Metabolite identification and disinfection by-product formation in AAO-MBR system with waste liquid isopropyl alcohol as a carbon source[J]. Journal of Environmental Chemical Engineering，2024，12（5）：113562.
[45]	BAI T T. Microbiological characteristics of nitrification and solid-phase denitrification system for low-carbon sewage[D]. Chongqing：Chongqing University，2016. 白婷婷. 低碳源污水硝化及固体碳源反硝化系统的微生物特性[D]. 重庆：重庆大学，2016.
[46]	DU Z，DU Y，WANG J，et al. Acidophilic partial nitrification rapid startup and robustness validation for municipal wastewater treatment：operation performance and microorganism insights[J]. Water Research，2024：122922.
[47]	WANG L，WANG Y，LI Y，et al. Effect of water chemistry on nitrogen transformation，dissolved organic matter composition and microbial community structure in hyporheic zone sediment columns[J]. Environmental Research，2022，215：114246.
[48]	YANG Z W. Microbial community structure and abundance of functional genes of nitrification and denitrification in Huixian karst groundwater[D]. Wuhan：Huazhong University of Science and Technology，2019. 杨再旺. 会仙岩溶地下水微生物群落结构及硝化和反硝化功能基因的研究[D]. 武汉：华中科技大学，2019.
[49]	HUANG J，XU J S，ZHANG H，et al. Effects and mechanisms of polypropylene nanoplastics on biological denitrification and functional genes[J/OL]. China Environmental Science.（2025-01-05）[ 2025-12-12]. https：//doi.org/10.19674/j.cnki.issn1000-6923.2025E0005. 黄健，徐军帅，张华，等. 聚丙烯纳米塑料对生物脱氮和功能基因的影响及机制[J/OL]. 中国环境科学.（2025-01-05）[ 2025-12-12]. https：//doi.org/10.19674/j.cnki.issn1000-6923.2025E0005.