关于Fe/Mn生物炭辅助的厌氧氨氧化（anammox）-复合氨氧化（comammox）过程的代谢机制研究：在亚硝酸盐匮乏条件下，电子传递的协同作用与系统的结构韧性

《Journal of Environmental Chemical Engineering》：Metabolic insights into the Fe/Mn-biochar assisted anammox-comammox process: Synergistic electron-transfer and structural resilience under nitrite starvation

硝酸盐不稳定导致脱氮工艺失效，本研究通过FeMn-BC改性反应器在逐步硝酸盐饥饿下验证了双重电子传递路径：Fe/Mn氧化物作为固态电子受体与comammox菌释放的硝酸盐协同作用，维持电子传递系统活性及高氨氮去除效率（>85%），并揭示总氮去除受硝酸盐积累限制但可通过耦合下游脱氮工艺实现达标排放。

　　

Xurui Zhu|Xiaonong Zhang|Luomiao Ji|Rui Zhao|Bo Gao|Wen Sun|Peng Wu

江苏省市政污水处理资源化技术国家与地方联合工程实验室，水处理技术与材料江苏协同创新中心，苏州科技大学环境科学与工程学院，中国苏州215009

摘要

主流废水中亚硝酸盐供应的不稳定性限制了厌氧氨氧化（anammox）技术的应用。本研究采用了一种实验室规模的厌氧氨氧化-完全氨氧化（comammox）反应器，并添加了Fe/Mn改性的生物炭（FeMn-BC），在逐步降低亚硝酸盐浓度的条件下（进水NO₂^?-N从20 mg/L降至5 mg/L）进行实验。宏基因组和生化分析表明，存在一种协同的电子转移机制：comammox产生的亚硝酸盐补充了可溶性电子受体，而FeMn-BC表面的Fe/Mn氧化物则作为替代的固态电子受体。这种双途径耦合提升了电子传输系统的活性、血红素c的含量以及细胞外聚合物物质的产生，从而维持了高效的氨去除效果。尽管由于comammox导致硝酸盐积累，总氮去除效率略有提升，但该系统表现出显著的缓冲能力。作为“亚硝酸盐缓冲型氨吸收器”，该系统有效防止了在极端亚硝酸盐匮乏条件下的微生物群落代谢崩溃。总体而言，这种FeMn-BC辅助的反应器在防止系统崩溃方面具有重要的工程价值，应与下游硝酸盐还原过程（如部分反硝化）结合使用，以达到排放标准中的总氮要求。

引言

全球氮污染问题日益严重，这使得厌氧氨氧化（anammox）成为一种可持续的氮去除技术。在实际应用中，污水中的亚硝酸盐主要由上游的硝化或反硝化过程产生，但anammox细菌对亚硝酸盐非常敏感：在亚硝酸盐浓度低的情况下，电子受体不足会扰乱其代谢过程，导致细菌失活并影响系统稳定性[2]。将完全氨氧化（comammox）菌（如Nitrospira）与anammox菌耦合使用可以缓解这一问题，因为comammox菌可以为anammox菌提供亚硝酸盐，形成互惠关系，从而提高氨去除效率[3]。Comammox菌对氨具有更高的亲和力，且常在低浓度废水中自发富集。因此，了解这种自然形成的anammox-comammox菌群在环境压力下的适应性对其实际应用至关重要。然而，该耦合系统在逐渐减少亚硝酸盐条件下的动态变化和稳定性仍不明确，需要制定策略来增强其稳定性。

现有研究表明，零价铁和锰氧化物等金属添加剂可以刺激anammox活性，但金属离子的毒性、不可控的价态变化以及反应动力学问题限制了它们的工程应用[4]。为克服这些瓶颈，人们引入了基于碳的载体材料，尤其是生物炭，它具有多孔结构且富含功能基团，能够可逆地储存和释放电子，从而促进微生物间的电子转移（EET）和价态变化[5]。通过表面改性，生物炭可以牢固地固定金属氧化物，防止金属快速溶解并降低金属离子的毒性，从而提升其氧化还原调节能力和多孔性能，进而改善其在废水处理中的效果[6]。其中，Fe/Mn改性的生物炭（FeMn-BC）具有独特的作用：铁氧化物能激活anammox菌中关键氧化还原酶的生物合成，而锰氧化物则通过锰价态的循环变化促进跨膜电子转移[7]。Fe/Mn氧化物还可以作为固态电子受体参与氧化还原反应，例如将NH₄⁺-N氧化为NO₃^?-N、NO₂^?-N和N₂^?，同时实现Fe³⁺或Mn⁴⁺的还原（即Feammox/Mnammox过程）[5][8]。此外，Fe/Mn氧化物溶解后释放的Fe²⁺/Mn²⁺可以诱导anammox还原酶的表达，有助于维持核心代谢途径的稳定性[9]。因此，FeMn-BC可作为高效的电子受体，加速种间电子传递，促进氮基底物的分解和吸收。先前研究还发现Mn²⁺与comammox菌（Nitrospira）中锰氧化相关基因的富集有关[10]，这提示含锰材料可能间接促进anammox活性，从而形成生物氮循环与非生物金属还原之间的双重途径网络。然而，目前关于FeMn-BC在亚硝酸盐充足或短暂冲击条件下的作用机制仍不明确。

为填补这一知识空白，本研究探讨了FeMn-BC在逐步降低亚硝酸盐条件下的anammox-comammox耦合系统中的作用。我们假设在这种压力下会形成一种双途径协同电子转移机制：comammox菌提供可溶性亚硝酸盐，而生物炭表面的Fe/Mn氧化物作为替代的固态电子受体，共同发挥缓冲作用，防止代谢崩溃。为此，我们建立了一个基于阶段的亚硝酸盐限制模型，将进水NH₄⁺-N维持在15 mg/L，同时将NO₂^?-N在75天内逐步降低至5 mg/L。通过宏基因组分析、酶活性检测以及微生物的生化和物理化学表征，我们重点研究了电子传输链的重建、代谢酶的丰度变化及微生物群落的演替。文章还讨论了通过结合部分反硝化过程回收积累的硝酸盐来进一步提高总氮去除率的策略。这些发现为防止系统崩溃和在亚硝酸盐匮乏条件下实现稳定的anammox-comammox性能提供了理论基础和实用工程方案。

反应器配置与操作

实验采用了一个总有效体积为1 L的有机玻璃制连续搅拌反应器（CSTR）。初始时向反应器中加入5 g/L的FeMn-BC。FeMn-BC的制备和表征方法详见Text S1和Zhang等人的研究[11]，其形态如图S1所示。FeMn-BC表面含有24.9%的Fe（其中48.0%为Fe²⁺，43.2%为Fe^{3+2+，6.7%为Mn4+2/g。}

亚硝酸盐限制下的氮去除性能及缓冲效应

图1展示了反应器的长期氮去除效果。在第一阶段（进水NO₂^?-N从20 mg/L降至15 mg/L），NH₄⁺-N的去除效率略有波动（78.3%–100.0%）（见图1a），主要是由于作为主要电子受体的NO₂^?减少导致的NH₄⁺-N残留。在第二阶段（进水NO₂^?-N为10 mg/L），NH₄⁺-N的去除率保持在较高水平（82.4%–100.0%），表明comammox菌不仅促进了anammox反应，还发挥了重要作用。

结论

本研究在逐步降低亚硝酸盐的条件下，研究了FeMn-BC改性的反应器中的anammox-comammox耦合效应。我们提出了一个双途径协同电子转移机制：comammox菌提供的亚硝酸盐与固态Fe/Mn氧化物共同弥补了电子受体的不足，维持了高效的氨去除和系统的生理稳定性。尽管由于comammox导致的硝酸盐积累，总氮去除效率略有提升，但该系统仍表现出良好的实际应用潜力。

作者贡献声明

Peng Wu：撰写、审稿与编辑、指导、概念构思。Wen Sun：数据分析与整理。Luomiao Ji：指导。Xiaonong Zhang：数据分析与整理。Bo Gao：指导。Rui Zhao：数据分析。Xurui Zhu：初稿撰写、验证、方法设计、实验实施、数据分析与整理。

利益冲突声明

作者声明不存在可能影响本文研究的已知财务利益冲突或个人关系。

致谢

本研究得到了国家自然科学基金（项目编号：51578353）、苏州市水利水务科技项目（项目编号：2022005）以及江苏省研究生研究与实践创新计划（项目编号：SJCX24_1919）的资助。