在传统的生物脱氮过程中，反硝化细菌以碳源为电子供体将污水中的NO3-—N还原成N2，从而有效脱氮。实际运行中，污水厂通过额外投加碳源来保证反硝化过程的顺利进行。外加碳源不仅可以加强脱氮速率，降低产泥率，还会影响污泥中反硝化菌群落的结构和丰度，且不同类型的碳源会选择性地富集不同的高效反硝化菌。然而，目前就外加碳源类型对反硝化脱氮微生物群落的影响研究较少。近年来，随着相关分子生物学检测手段的不断进步，特别是高通量测序技术的发展，其可以及时捕获微生物的综合信息，为相关研究提供可靠的技术手段。周梦娟等[64]分别研究了以葡萄糖和乙酸钠为外加碳源的反硝化反应器中微生物群落的结构组成，两个反应器中共同的优势菌门有Proteobacterias、Bacteroidetes、Firmicutes和Gracilibacters，且优势菌门的丰度在不同运行时间存在消长变化状态。孟婷等[65]研究了以污泥发酵液为外加碳源驯化污泥前后的反硝化菌群落的变化，研究发现，污泥中的优势菌群从Proteobacteria拓宽到Proteobacteria、Bacteroidetes和Firmicutes，且所占比例均有所提高。

为了研究在实际污水处理厂长期使用单一传统碳源和复合碳源对反硝化菌微生物种群结构的影响，笔者以重庆市3个不同生活污水处理厂厌氧区污泥中的反硝化微生物为研究对象，探讨了不同外加碳源(甲醇、新型复合碳源、葡萄糖)对反硝化菌的丰富度、多样性以及群落结构的影响。反硝化反应是多级反应，每级反应由不同基因和酶控制，如图 2所示。由亚硝酸盐转化为氧化氮的过程是反硝化反应有别于其他硝酸盐代谢的标志性反应，是反硝化过程中最重要的限速步骤，亚硝酸盐还原酶(Nir)是催化此反应的限速酶。

笔者采用NirS基因的引物(cd3aF/R3cd)，引物名称和引物序列为cd3aF (5′-GTSAACGTSAAGGARACSGG-3′) 和806R (5′-GASTTCGGRTGSGTCTTGA-3′)，通过Illumina MiSeq平台对3个污泥样品进行高通量测序，其基本信息如表 3所示。

通过对各污泥样本的序列信息进行OTU聚类分析和Alpha多样性分析反映反硝化菌群落的丰度和多样性，各样本Alpha多样性指数见表 4。从表中各样本的实际值(sobs)可以看出，使用新型复合碳源的荣昌污水厂反硝化细菌的种类最多。从群落丰富度指数(chao、ace)看，W2>W3>W1，也说明使用复合碳源的污水厂反硝化细菌的丰富度明显要高。从群落多样性指数(shannon、simpson)看，W3略大于W2，两者均明显大于W1，说明使用新型复合碳源、葡萄糖为外加碳源在反硝化菌物种的多样性上要好于使用甲醇。

为了更进一步分析各样本中反硝化菌的差异，在目水平上对反硝化菌的群落丰富度进行分析，结果如图 3所示。

从图 3可以看出，未分类_c__β-变形菌目、红环菌目、伯克霍尔德氏菌目、未分类_p__变形菌目、未分类_k__norank_d__细菌目是3个样品平均相对丰度同时大于1%的5个优势菌目。对数据进行显著性分析，结果表明，W2的红环菌目、伯克霍尔德氏菌目的相对丰度显著高于W1和W3。从图中可以明显看出，W2、W3的群落结构大致相同，但与W1有明显区别，说明外加碳源的不同改变了反硝化菌群落的多样性，碳源对反硝化菌群落丰富度的影响为：新型复合碳源>葡萄糖>甲醇。

新型复合碳源从脱氮效果、微生物物种丰富度及多样性、投加成本、环境安全性等多方面都优于单一的传统碳源，作为可以普遍商业化应用的外加碳源，具有较高的发展前景，但现在对于复合碳源的研究还不多，其优化配方、作用效果及最优工况还需进一步深入研究。重庆大学与重庆蓝洁自来水材料有限公司关于新型高效复合碳源的研究在中国率先取得突破，为产学研一体化发展做出了有益的探索。

为了对不同碳源进行综合对比，其优缺点及研究进展的纵向对比总结见表 5。

以小分子有机物、糖类物质为主的传统碳源依旧是目前城市污水厂应用最多的反硝化碳源。它们的分子量较小，简化了反硝化菌胞外水解酶的水解过程，部分能直接被反硝化菌分解利用，其较高的利用率能显著提高反硝化速率。但它们又存在一些缺点，如甲醇有生物毒性、污泥自适应能力差；液体乙酸运输不便，运行成本高；乙酸钠价格昂贵、投加量大；葡萄糖反硝化速率低。另外，可溶性的传统外加碳源普遍存在投加量不容易掌握，运输成本高等问题。为克服这些缺点，以传统碳源为主要原料的复合碳源成为目前最具广泛应用潜力的外加碳源，其能使脱氮系统的处理效果、成本投入、管理运营等多个方面得到优化，是一个能够实现快速广泛应用的研究方向，值得关注。

但传统碳源都是资源型物质，与现在的污水治理理念相斥，近年来许多研究者转向开发环境安全性高、低廉、甚至“以废治废”的碳源研究。以农业废弃和园林凋落物为主的天然纤维素类固体碳源，不仅能释放碳源还能为生物膜提供载体，且廉价、运输方便、释碳缓慢持久，但脱氮效果易受外界条件影响，容易造成二次污染。而昂贵的价格则限制了人工合成高聚物的应用。以两者为基础研发的骨架型复合缓释碳源，结合了两者的优点，是目前研究的热点，但其实际应用研究还需进一步探讨。

以工业废水、污泥和餐厨废弃物水解液、垃圾渗滤液为主的新型液体碳源都是基于废弃物开发的，不仅具有良好的脱氮效果，而且为其处理提供了新的资源化思路，实现了经济效益和环境效益的兼顾，但其应用依然受到一定限制，还需发展完善。理想的外加碳源必须满足廉价、绿色环保、脱氮效果优良的特点。因此，未来外加碳源的研究可以考虑骨架型复合缓释碳源、基于废物开发的新型液体碳源，如何有效地将其实际应用在污水厂值得深入探究。

目前，被实际用于污水厂反硝化脱氮的外加碳源种类众多，且总体上均能强化对低碳氮比污水的反硝化脱氮效果，但不同的外加碳源均有一定缺陷，限制了其广泛应用。长期投加碳源也会增加大量的脱氮成本和管理难度，选择脱氮高效且经济可行的外加碳源是污水厂面临的焦点。

结合上述总结的各类外加碳源的优缺点，对城市污水处理厂选择外加碳源的建议如下：

1) 对于短期低碳氮比污水，可以选择乙酸钠作为反硝化外加碳源，污泥自适应能力强，脱氮效果显著。

2) 对于长期低碳氮比污水，可以选择以传统碳源为基础开发的新型复合碳源、天然纤维素固体碳源和骨架型复合缓释碳源，且针对相应问题进行改善。

3) 对于有条件的污水厂，可根据进水水质特点选择新型液体碳源，降低脱氮成本的同时实现废弃物资源化，符合新污水治理理念。

4) 应用各种新型碳源时，不仅需要考虑其高效、低耗、价廉，更应注意新型碳源的环境安全性、可靠性，坚决防止和杜绝二次污染。