矿物溶解产物通过污泥聚集作用促进厌氧氨氧化（anammox）过程实现氮的去除

《Environmental Research》：Mineral dissolution products drive anammox nitrogen removal via sludge aggregation

厌氧氨氧化（Anammox）系统通过黄铁矿（FeS?）的溶解与污泥聚集形成正反馈循环，显著提升脱氮效率37.3%，其中56.8%的增强源于黄铁矿持续释放铁离子促进EPS吸附和矿化。实验证实黄铁矿表面粗糙度增加5.54 nm并抑制自腐蚀电位（-0.076 V），通过微生物群落代谢与EPS动态调节实现协同效应。

　　

Fan Feng|Jingyu Liu|Caiyan Qu|Xi Tang|Di Wu|Chong-Jian Tang|Liyuan Chai

宁夏大学生态与环境学院，银川，750021，中国

摘要

Anammox是一种高效的生物废水处理工艺，但其性能常常受到anammox细菌对环境敏感性的限制。研究表明，污泥聚集体能够通过提高污泥的沉降性来增强生物量的保留。本研究提出，含铁矿物（如黄铁矿）的溶解可以促进污泥聚集体和细菌的保留，而anammox污泥反过来又可以持续促进黄铁矿的溶解，从而形成一个正反馈循环，放大这种增强效应。实验结果表明，添加黄铁矿后氮去除率提高了37.3%，其中黄铁矿的溶解作用占了这一增强的56.8%。为了阐明anammox污泥与黄铁矿之间的相互作用，对微生物、矿物和胞外聚合物物质（EPS）进行了全面分析。研究发现，anammox污泥持续促进了黄铁矿的溶解，这体现在黄铁矿的自腐蚀电位从0.127 V降至-0.076 V，以及其表面粗糙度从2.02 nm增加到5.54 nm。石英晶体微天平-耗散（QCM-D）分析进一步表明，黄铁矿的溶解通过增强EPS的粘附性促进了污泥的聚集，ΔD/ΔF比值从-0.2095增加到-0.0897。这些结果揭示了一种协同的溶解-聚集机制，为通过添加含铁矿物来提高anammox系统处理废水的稳定性和韧性提供了理论基础。

引言

Anammox是一种高效的生物脱氮技术（Ma等人，2017年）。然而，由于其细菌生长速度较慢（倍增时间为11-14天），这使得anammox群落对环境变化的敏感性增加，从而延长了从压力状态中恢复的时间（Strous等人，1998年）。因此，促进细菌生长和减少生物量损失对于系统的稳定性至关重要。

含铁矿物（如黄铁矿）可以通过促进细胞内外的电子转移来提高anammox的效率（Feng等人，2023a；Feng等人，2023b）。值得注意的是，添加黄铁矿不仅提高了氮去除率（NRR），还意外地促进了污泥的聚集。污泥聚集是一种有效的策略，可以防止生物量流失，增加细胞密度，并通过微生物相互作用提高代谢效率（Jia等人，2017年；Wang等人，2021a，2021b，2021c）。已知铁离子可以通过压缩双电层并与胞外聚合物物质（EPS）结合来促进聚集（Tang等人，2020年；Pevere等人，2007年）。虽然铁盐是废水处理中常用的污泥调理剂，但它们在anammox系统中的应用受到几个因素的限制：（i）一次性添加可能导致局部铁毒性；（ii）快速水解和沉淀会产生短暂效果，需要反复投加。相比之下，含铁矿物（如黄铁矿FeS₂）提供了一种不同的方法：通过溶解缓慢、持续地释放铁，同时矿物颗粒的物理存在可以作为聚集的核心。此外，黄铁矿是一种天然丰富的矿物，通常是煤炭开采和矿石加工的廉价副产品。在许多地区，它被视为市场价值较低的废弃物，但将其利用可以将废弃物转化为有用的资源，从而创造经济价值。利用采矿废弃物中的黄铁矿可以同时解决两个环境问题：它为废水处理提供了低成本的材料，同时减少了采矿废弃物的环境负担。然而，黄铁矿溶解在这一过程中的具体作用尚不清楚。

在中性pH条件下，黄铁矿的溶解通常较慢，因为化学氧化作用有限（Li等人，2023年）。然而，生物氧化过程已被证明可以显著促进硫化物矿物的溶解（Vera等人，2022年）。宏基因组数据（PRJNA792303）显示，在anammox菌群中存在氧化铁和硫的细菌（例如Acidithiobacillus ferrooxidans），这些细菌可能通过断裂二硫键来促进黄铁矿的溶解（Gan等人，2018年）。此外，anammox细菌会产生大量的EPS（高达415 mg gVSS^?1）（Tang等人，2017年），这可能增强了矿物与微生物之间的相互作用和间接生物浸出。尽管如此，黄铁矿在anammox系统中是否会发生持续的生物诱导溶解，以及这一过程如何影响污泥聚集和氮去除，目前尚未得到系统的研究。

本研究旨在阐明黄铁矿溶解与anammox系统中污泥聚集之间的相互作用。具体来说，研究了三个关键方面：首先，评估了黄铁矿的钝化和生物诱导氧化机制，以阐明anammox菌群内黄铁矿溶解的机制；其次，分析了黄铁矿溶解的动力学和EPS的演变，以评估它们对污泥聚集的影响；最后，确定了黄铁矿溶解和污泥聚集过程中涉及的氮去除途径及关键微生物。这项工作的主要目标是揭示有助于提高黄铁矿增强型anammox系统氮去除效果的溶解-聚集机制。本研究的结果有望为通过战略性地应用含铁硫化物矿物来优化氨氮废水处理提供理论基础。

部分内容摘要

anammox污泥

本研究中使用的anammox污泥来自上流式厌氧污泥床（UASB）反应器，这些反应器已稳定运行超过3年，氮负荷率超过1.1 kg N m^?3 d^?1。微生物群落分析显示，anammox菌群主要由Candidatus Kuenenia组成，相对丰度为52%，表明这是一个建立良好且活跃的anammox种群。

使用倒置显微镜进行了形态观察

黄铁矿增强型anammox系统中改善的污泥聚集

研究了黄铁矿增强型anammox系统中anammox污泥的聚集行为。搅拌后，三组污泥都均匀悬浮。在沉淀过程中，CK组的污泥沉降速度最慢，最终未能完全分离。相比之下，DB组和PY组的污泥沉降速度更快，最终出现了明显的分层现象：上层液体变得透明，而

环境影响与限制

虽然高纯度的黄铁矿和96天的运行周期降低了本研究中金属积累的风险，但大规模应用时仍需系统评估潜在的二次污染效应。目前的工作指出了几个需要未来研究的关键限制。首先，建立溶解铁离子（Fe²⁺/Fe³⁺）与微生物响应（EPS变化、聚集行为和基因表达模式）之间的因果关系仍然

结论

本研究揭示了一种协同的溶解-聚集机制，这是黄铁矿改良型anammox系统性能提升的基础。黄铁矿的添加不仅促进了持续的微生物脱氮，还诱导了微生物絮体的结构和功能变化，最终提高了系统的效率和稳定性。使用透析袋从微生物群落中分离出固相矿物，揭示了黄铁矿及其溶解产物的不同作用

CRediT作者贡献声明

Fan Feng：撰写 – 审稿与编辑，撰写 – 原稿，可视化，方法学，资金获取，正式分析，数据管理。Jingyu Liu：撰写 – 审稿与编辑。Caiyan Qu：撰写 – 审稿与编辑。Xi Tang：撰写 – 审稿与编辑。Di Wu：撰写 – 审稿与编辑，资金获取。Chong-Jian Tang：撰写 – 审稿与编辑，资金获取。Liyuan Chai：撰写 – 审稿与编辑。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的竞争性财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。

致谢

本研究部分得到了国家自然科学基金 [52400040, U21A20294]、宁夏重点研发计划[2024BEH04043]、湖南省科技计划 [2024RC1012]项目、湖南省重大技术创新项目[2024QK3001]以及宁夏回族自治区河湖生态环境科技创新团队的支持。Tang CJ博士得到了学术计划的支持