这篇文档属于类型a，即报告了一项原创性研究。以下是对该研究的学术报告：

主要作者及研究机构

本研究的主要作者包括Yu Xiang、Tengzhi Zhou、Siping Deng、Zhiyu Shao、Yiwen Liu、Qiang He和Hongxiang Chai。他们分别来自西华大学建筑与土木工程学院、重庆大学环境与生态学院（教育部三峡库区生态环境重点实验室）以及天津大学环境科学与工程学院。该研究于2023年10月2日在线发表在期刊《Water Research X》上，文章编号为100204。

学术背景

研究的主要科学领域是废水处理中的氮去除过程，特别是同步硝化与反硝化（Simultaneous Nitrification and Denitrification, SND）过程。SND被认为比传统的两步氮去除过程更高效且节能。然而，SND过程中的氮去除效率难以控制，因为不同的硝化菌和反硝化菌对环境条件有不同的偏好。氨氧化微生物（Ammonia Oxidizing Microorganisms, AOM）对环境条件更为敏感，因此氨氧化过程可能成为限制步骤。研究表明，亚硝酸盐（nitrite）可以重塑AOM种群，并影响氨氧化速率。因此，本研究旨在探讨亚硝酸盐对SND过程中氨氧化效率的影响，以及其对氨氧化古菌（Ammonia-Oxidizing Archaea, AOA）和氨氧化细菌（Ammonia-Oxidizing Bacteria, AOB）的富集作用。

研究流程

研究流程包括以下几个主要步骤：

1. 反应器设置与运行
   研究使用了两个间歇曝气生物膜反应器（Sequencing Biofilm Batch Reactor, SBBR），分别命名为R1和R2。R1作为对照组，不添加亚硝酸盐；R2作为实验组，添加20 mg N/L的亚硝酸盐。反应器中填充了聚丙烯纤维，用于生物膜的形成。反应器的运行条件包括温度控制在30°C，pH值保持在7-8.5之间，溶解氧（DO）浓度在曝气阶段为2 mg O2/L，在缺氧搅拌阶段为0.01 mg O2/L。反应器的运行周期包括进水、曝气、缺氧搅拌、沉淀和排水等步骤。

2. 样品采集与分析
   在反应器运行稳定后，研究人员分别在R1和R2中采集混合液样品，用于测量化学需氧量（COD）、氨氮（NH4+）、亚硝酸盐（NO2-）和硝酸盐（NO3-）的浓度。此外，还收集了气体样品用于分析一氧化二氮（N2O）的排放。

3. 基因拷贝数分析
   通过实时定量PCR（qPCR）技术，研究人员分析了AOA和AOB的氨单加氧酶基因（amoA）拷贝数，以及厌氧氨氧化（anammox）相关基因（hzsB和hao）的拷贝数。此外，还分析了硝化螺菌（Nitrospira）和亚硝酸盐还原酶基因（nirS和nirK）的拷贝数。

4. 高通量测序与系统发育树分析
   研究人员使用Illumina MiSeq平台对样品进行高通量测序，分析了AOB的群落组成，并构建了系统发育树，以确定优势AOB物种的进化关系。

5. 抑制剂实验
   为了研究不同微生物对氨去除的贡献，研究人员在R2中进行了抑制剂实验，分别添加了氨单加氧酶抑制剂（ATU）和亚硝酸盐氧化还原酶抑制剂（NaClO3），以抑制AOB和AOA的活性。

主要结果

1. 氮去除性能
   在R2中添加20 mg N/L的亚硝酸盐后，总氮（TN）去除效率从R1的74.5%提高到99.0%。氨氮去除速率在R2中达到3.93 ± 0.50 mg N/(L·h)，是R1的4.5倍。

2. AOA和AOB的富集
   qPCR结果显示，R2中AOA和AOB的amoA基因拷贝数分别比R1增加了280倍和30倍。高通量测序结果显示，R2中优势AOB物种的丰度从R1的0.40%增加到1.59%，系统发育树分析表明这些AOB与Nitrosospira multiformis密切相关。

3. 抑制剂实验结果
   抑制剂实验表明，AOA和AOB分别贡献了46.9%和41.8%的氨去除效率。此外，COD去除效率仅下降了18.7%，表明异养微生物在SND过程中也发挥了重要作用。

4. 基因拷贝数分析
   与R1相比，R2中nirS和nirK基因的拷贝数分别增加了7.7倍和26.2倍，表明亚硝酸盐的添加增强了反硝化过程中的亚硝酸盐还原能力。

结论

研究表明，在SND过程中添加20 mg N/L的亚硝酸盐可以显著提高氨去除效率和速率。亚硝酸盐的添加富集了AOA和AOB，并增强了它们的氨氧化能力。此外，亚硝酸盐还促进了反硝化过程中亚硝酸盐的还原。这些发现为利用亚硝酸盐提高废水处理中的氮去除效率提供了新的策略。

研究亮点

1. 重要发现
   亚硝酸盐的添加显著提高了SND过程中的氨去除效率和速率，并富集了AOA和AOB。

2. 方法新颖性
   研究采用了qPCR、高通量测序和抑制剂实验等多种技术手段，全面分析了亚硝酸盐对SND过程中微生物群落和氮去除效率的影响。

3. 研究对象的特殊性
   研究聚焦于SND过程中的AOA和AOB，揭示了它们在亚硝酸盐存在下的适应机制和功能。

其他有价值的内容

研究还提出了亚硝酸盐富集AOA和AOB的可能机制，特别是通过亚硝酸盐还原酶（nirK）的结构差异来解释它们的适应性。此外，研究还探讨了Nitrosospira multiformis-like细菌在亚硝酸盐存在下的生态位适应策略，为未来相关研究提供了新的思路。

通过这项研究，研究人员不仅揭示了亚硝酸盐在SND过程中的重要作用，还为优化废水处理工艺提供了理论依据和实践指导。