电活性载体通过协同的微生物富集、代谢强化和电子转移促进作用，实现了硝化与反硝化（SND）的同时进行，并增强了生物除磷（EBPR）的效果

《Bioresource Technology》：Electroactive carriers promote simultaneous nitrification and denitrification (SND) coupled with enhanced biological phosphorus removal (EBPR) via synergistic microbial enrichment, metabolic intensification, and electron transfer facilitation

一体化活性污泥系统（IFAS）中Fe-C和FeMn-C电活性载体显著提升COD（95.6%）、TN（82.8%）和TP（99.9%）去除效率，通过载体表面负电荷富集NH4+促进硝化，Mn价态转化增强反硝化，同时Fe/Mn沉淀作为微生物支架提升EPS分泌和SND-EBPR耦合机制。

　　

王颖|李瑶|易长刚|邱晔|冯玉杰

哈尔滨工业大学环境学院城乡水资源与环境国家重点实验室，中国哈尔滨南岗区黄河路73号，150090

摘要

结合Fe-C和FeMn-C基电活性海绵载体的集成固定膜活性污泥（IFAS）系统对COD的去除效率达到了95.6%，总氮为82.8%，总磷为99.9%。电活性材料的多孔结构和负电荷表面促进了NH₄⁺在载体-生物膜界面的富集（效果为16%–20%），从而提高了硝化效率。FeMn-C进一步促进了电子转移，增强了硝化-反硝化耦合，并提高了电子传输系统的活性。批量反硝化实验以及X射线光电子能谱揭示的Mn价态变化表明，与Mn相关的氧化还原过程可能作为辅助途径补充混合营养型反硝化。同时，Fe/Mn沉淀物作为微生物支架，结合提高的亲水性，促进了生物膜的形成和生物量的保留。因此，电活性系统中的载体表现出1.6倍和3.5倍的EPS分泌量增加，以及NH₄⁺-N氧化率和NO₃^?-N还原率的提高，后者在Fe-C和FeMn-C载体上分别达到了正常载体的11.8倍和16.3倍。这些改进重塑了微生物群落，促进了参与SND和EBPR的关键功能群（如、、、）以及与EET相关的类群的共富集。功能基因分析显示，硝化相关基因（、）、反硝化相关基因（、、）、磷代谢相关基因（、、）和与EET相关的基因（、、、、、）的丰度增加。然而，电活性载体也增加了nxrA/B的丰度，表明非选择性刺激了亚硝酸盐的氧化，并存在硝酸盐积累的潜在风险。这些发现为通过SND-EBPR耦合在IFAS系统中电化学增强C-N-P去除提供了机制上的见解。

引言

高效去除氮（N）和磷（P）在废水处理中至关重要。集成固定膜活性污泥（IFAS）系统结合了悬浮污泥和附着的生物膜，利用了悬浮和附着微生物群落之间的协同作用（Shao等人，2017年），促进了硝化和反硝化（SND）以及生物磷去除（EBPR）（Shreve和Brennan，2019年）。在EBPR过程中，聚磷酸盐积累菌（PAOs）在厌氧阶段将碳底物储存为细胞内聚羟基烷酸酯（PHA），随后在有氧或厌氧条件下通过PHA氧化吸收磷酸盐（Wong等人，2013年）。值得注意的是，反硝化PAOs（DPAOs）可以将磷酸盐吸收与NO₃^?-N或NO₂^?-N还原耦合起来，实现磷和氮的联合去除（Zhang等人，2025年）。因此，建立稳定的SND-EBPR系统需要协调良好的微生物结构、碳和电子供应以及氧化还原区的形成。

IFAS系统的性能与生物膜载体的物理化学特性密切相关，包括孔隙率、亲水性和化学组成。这些因素影响微生物的附着、空间分层和功能性生物膜的形成，从而影响整体污染物去除效率（Al-Amshawee等人，2020年）。先前的研究表明，Fe-C改性的载体增强了微生物的定殖和生物膜的形成。例如，Fe填充物在有氧和厌氧条件下刺激了细胞外聚合物物质（EPS）的分泌，提高了细菌的附着并通过EPS富集促进了磷的去除（Liang等人，2022年）。基于PS@Fe₃O₄的磁性污泥富集了硝化菌和反硝化菌，从而提高了总氮的去除率（Chen等人，2022年）。

最近的研究表明，导电EPS、纳米线、（半）导电矿物和缆状/丝状细菌可以作为电子流的通道，从而在微生物系统内连接空间分离的氧化还原反应并构建导电网络（Wang等人，2024a；Zhu等人，2023年）。基于此，Fe和Mn特别有吸引力，因为它们不仅能够促进电子转移，还能积极参与氮的转化。Fe改性材料已被证明可以选择性地富集电活性细菌和氮转化微生物，同时增加与电子转移和氮循环相关的基因的丰度（Li等人，2023年）。据报道，Mn²⁺可以刺激微生物的氧化还原活性并促进自养反硝化（Bai等人，2024年）。此外，微生物的Mn还原被认为是一个关键的生物地球化学过程，可以通过涉及外膜细胞色素、导电菌毛和氧化还原活性介质的细胞外电子转移（EET）途径驱动（Yang等人，2025年）。综上所述，将Fe/Mn氧化还原活性组分整合到载体材料中可能通过增强微生物电子转移和参与氧化还原耦合的氮转化带来益处。这样的电活性载体可以调节局部电子流，促进微生物的富集，并促进硝化和反硝化之间的更紧密耦合。然而，Fe/Mn基电活性载体在IFAS系统中介导电子转移的具体途径及其与氮转化过程的联系仍不完全清楚。

在这项研究中，使用Fe-C和FeMn-C作为功能材料开发了电活性海绵载体，并构建了三个IFAS反应器。具体目标是：（1）评估电活性载体对IFAS系统中污染物去除性能的影响；（2）研究电活性载体对微生物增殖、EPS分泌和生物膜发展的影响；（3）基于代谢强度、微生物群落结构和宏基因组功能分析探索电子驱动的C-N-P代谢网络。

章节片段

Fe-C/FeMn-C粉末和电活性海绵载体的制备

Fe-C和FeMn-C是通过水热碳化后热解合成的（Song等人，2023年）。使用FeCl₃·6H₂O、MnCl₂·4H₂O、葡萄糖和尿素分别作为Fe、Mn和C的来源及孔形成剂。水热反应在200?°C下进行14??h。冷却后，产物经过洗涤、离心并在80?°C下真空干燥。随后，在N₂气氛下将干燥的粉末在管式炉中煅烧。温度以10?°C/min的速度升至800?°C。

Fe-C和FeMn-C的结构和物理化学性质

XRD分析显示Fe-C主要由Fe₃C、Fe和石墨组成，而FeMn-C还含有MnO相，表明Mn成功掺入（见补充材料）。FTIR光谱进一步确认了FeMn-C中存在Mn–O振动。SEM观察到的形态特征显示Fe-C主要由直径约为1?μm的微球组成，而FeMn-C则表现出更丰富且更细小的球形结构。

结论

结合Fe-C和FeMn-C基电活性载体的IFAS系统实现了高去除效率：COD（95.6%）、TN（82.8%）和TP（99.9%）。电活性载体通过耦合的界面调节、电子转移增强和微生物耦合加强了污染物的转化，从而建立了集成的SND-EBPR系统。负电荷的载体表面促进了NH₄⁺的富集并加速了硝化的开始。

CRediT作者贡献声明

王颖：撰写 – 审稿与编辑，撰写 – 原稿，方法学，数据管理，概念化。李瑶：验证，方法学。易长刚：验证，形式分析。邱晔：验证，调查。冯玉杰：撰写 – 审稿与编辑，监督，概念化。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文报告的工作。

致谢

本工作得到了国家自然科学基金[项目编号U23A20674]、国家自然科学基金[项目编号5250100799]和污泥安全处置与资源回收国家工程研究中心[项目编号Z2024B006]的支持。作者感谢科技部重点领域创新团队和黑龙江头雁团队的支持。