磁铁矿在海水养殖废水处理中协同微生物强化作用的机制：磁铁矿的双重作用

《Bioresource Technology》：Mechanism of magnetite coupled microbial enhancement in mariculture wastewater treatment: Dual edged role of magnetite

　　

宗克进|张婷|李媛|纪明德|卢嘉兴|郭颖|赵聪聪|吕建树|孔强|王倩|张健

山东师范大学地理与环境学院，中国济南250014

摘要

海洋水产养殖废水处理在盐度胁迫下面临微生物抑制和温室气体（GHG）排放的双重挑战。本研究探讨了亚微米磁铁矿与潮间带微生物在人工湿地（CWs）处理效率中的协同作用。设计了三种人工湿地：“Mag”（磁铁矿复合微生物）、“IWS”（仅含微生物）和“CK”（对照组）。评估了营养物质的去除率和温室气体排放量，并通过宏基因组学探讨了盐度条件下的微生物机制。“Mag”组在NH₄⁺-N、总氮（TN）、COD和总磷（TP）的去除率方面表现最佳，其中TP的去除率分别比“IWS”组和“CK”组高出20.1%和43.7%。磁铁矿表面的生物铁氧化还原循环不断生成活性位点，增强了营养物质吸附，并通过上调和cytochrome c促进了物种间的电子传递，从而促进了水溶性有机污染物向无机气态产物的转化。“IWS”组促进了硫驱动的自养反硝化作用，通过硫氧化菌和甲烷菌之间的竞争有效去除了氮并抑制了CH₄的产生。植物的吸收也有助于高效率地去除TN和TP，同时减少了温室气体排放。“CK”组表现出以渗透调节为导向的糖酵解活动，导致污染物去除率较低，温室气体排放量较高。本研究为在处理盐度废水时平衡营养物质去除效率和减少温室气体排放提供了实际指导。

引言

从1970年到2024年，全球海洋和沿海水产养殖业稳步发展。到2020年，海水养殖面积达到20,079.97平方公里，其中约95.3%位于亚洲（Wang等人，2022年）。未经处理的水产养殖废水排放对环境造成了双重威胁：过量的氮和磷导致水质严重恶化，而微生物代谢活动释放的大量温室气体（GHGs）进一步加剧了全球气候变化（Cao等人，2025年；Xu等人，2023年）。有效的处理方法对于废水管理和温室气体减排至关重要，有助于维持沿海生态平衡。

人工湿地（CWs）是一种可持续且经济高效的技术，其特点是二次污染最小，非常适合分散式海水养殖废水管理（Amponsah等人，2024年）。营养物质通过大型植物、微生物群落和基质的协同作用被去除，这些基质支持多种生物地球化学过程（Buhmann和Pappenbrock，2013年；Stein和Klotz，2016年）。然而，高盐度可能通过抑制植物生长和微生物活性而限制处理效率。耐盐植物和微生物已被用于缓解盐度胁迫，提高了去除效率（Cui等人，2025年；Wang等人，2020年）。然而，植物的吸收仅占污染物去除量的2%-40%（Sandoval-Herazo等人，2018年；Vymazal，2020年），且耐盐微生物通常需要较长的适应期，影响可持续性。此外，传统基质如沙子会积累盐分，导致堵塞和长期性能下降（Shen等人，2022年；Zang等人，2021年）。此外，研究表明，在处理C/N比较低的废水时，人工湿地会释放高水平的温室气体（如N₂O和CH₄），这迫切需要制定在营养有限条件下减少这些排放风险的策略（Cun等人，2025年；Zhang等人，2019年；Zhang等人，2025年）。在盐度胁迫下增强微生物和基质的相互作用对于提高污染物去除率和减少温室气体排放至关重要。

磁铁矿是一种低成本且易获得的导电材料，它通过富集电活性细菌并形成导电网络来促进物种间的电子传递，从而促进细胞外聚合物的产生，改善碳、氮和硫的耦合循环。这些效应增强了微生物代谢并减少了CH₄和N₂O等温室气体的排放（Liang等人，2024年；Lu等人，2022a）。此外，磁铁矿通过Fe²⁺/Fe³⁺循环和吸附作用增强了氮、有机物和磷的去除（Lu等人，2022b）。然而，当单独使用导电材料来增强污染物去除时，系统往往需要较长的启动期才能达到稳定运行状态，主要是由于参与直接物种间电子传递和相关代谢途径的微生物数量较少。同时应用导电材料和靶向微生物接种剂可以显著缩短适应期（Liu等人，2026年）。证据表明，潮间带湿地沉积物是一种富含DIET能力基因（如Geobacter、Desulfosarcina）和耐盐分类单元（如Thiobacillus、Thauera）的天然微生物接种剂。先前的研究表明，将潮间带湿地沉积物加入人工湿地可分别提高COD和磷的去除率24.4%和26.2%，同时保持90%的NH₄⁺-N去除率（Lv等人，2021年；Wang等人，2021年）。添加潮间带湿地沉积物增强了耐盐微生物群落的多样性，加强了植物对氮和磷的吸收，并促进了径向氧气释放，从而改善了根际氧化还原条件，进一步促进了污染物去除（Wang等人，2019年）。因此，将潮间带湿地沉积物与磁铁矿结合使用可能为优化人工湿地中的盐度废水处理提供有前景的策略。然而，迄今为止尚无研究评估磁铁矿和潮间带湿地沉积物联合使用对提高海水养殖废水去除率和减少温室气体排放的效果及其潜在机制。

由于亚微米磁铁矿的生物毒性低且成本低廉，本研究将其与黄河三角洲的潮间带沉积物一起用作协同基质。建立了三种类型的人工湿地：“Mag”组添加了磁铁矿和微生物，“IWS”组仅添加了微生物，“CK”组未添加任何增强物质。评估了海洋水产养殖废水的营养物质去除效果，并分析了处理过程中的温室气体排放模式。研究了磁铁矿上的直接吸附作用和植物积累情况。此外，从微生物群落组成、共现网络、基因表达和蛋白质功能等方面分析了微生物机制。这项研究的实施将为处理海水养殖废水和减少温室气体排放以应对气候变化提供理论基础。

部分摘要

实验设置与操作

建立了三种类型的人工湿地：“Mag”组添加了亚微米磁铁矿和潮间带沉积物作为微生物接种剂，“IWS”组仅添加了潮间带沉积物，“CK”组未添加任何增强物质。所有三种人工湿地都放置在实验室阳光充足的一侧，以保持室内温度为25℃。每个人工湿地由聚氯乙烯制成，半径为20厘米，高度为60厘米，总体积为75.4升（图1a）。

水质净化效率

“Mag”组中NH₄⁺-N的去除率显著高于“IWS”组和“CK”组（p<0.001），顺序为：Mag（95.9%±1.1%）> IWS（86.4%±2.9%）> CK（85.0%±2.7%）（图1b）。从第5天到第30天，所有系统中的NH₄⁺-N浓度持续下降。亚微米磁铁矿可能通过捕获S^2-并降低微生物毒性来稳定NH₄⁺-N的去除，从而提高了效率 and 稳定性（Giangeri等人，2023年）。从第5天到第20天，所有三种人工湿地中的TN

结论

本研究表明，亚微米磁铁矿和潮间带微生物群落的协同作用通过DIET缓解了盐度胁迫，并显著提高了营养物质去除效率。然而，这种增强作用增加了N₂O和CH₄的排放，显示出性能提升与温室气体排放之间的潜在权衡。“IWS”有效促进了硫驱动的自养反硝化作用，通过电子传递减少了CH₄的排放

Pan等人（2013年）。

宗克进：撰写 – 审稿与编辑，撰写 – 原稿，方法学，研究，数据管理，概念化。张婷：可视化，数据管理。李媛：软件，研究。纪明德：撰写 – 审稿与编辑，资金获取。卢嘉兴：研究，数据管理。郭颖：方法学，研究。赵聪聪：项目管理，资金获取。吕建树：资源。孔强：监督，方法学，资金获取。王倩：

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所述的工作。

本工作得到了国家自然科学基金（项目编号52430005）、国家自然科学基金（项目编号52400049）、山东省自然科学基金（ZR2024ME172）和山东省青年泰山学者计划（项目编号tsqn202312155 & tsqn202507151）的支持。