阳极电位和导电载体协同作用，驱动混合微生物群落中的无亚硝酸盐的、依赖胞外电子转移的厌氧铵氧化（Anammox）过程

《Bioresource Technology》：Anodic potential and conductive carrier synergistically drive nitrite-free extracellular electron transfer-dependent anaerobic ammonium oxidation (Anammox) in mixed microbial communities

本研究通过微生物电解池连续运行260天，发现0.4–0.6 V（vs. SHE）的阳极电位阈值可驱动无亚硝酸盐依赖的厌氧氨氧化（Anammox），结合导电载体使氮去除效率达103.61±9.22 mg·L?1·d?1，并促进Candidatus Kuenenia和Brocadia富集及电子传递网络形成，为规模化碳减排型氮去除技术提供依据。

　　

杨光霞|周俊宏|杨晓莉|史飞凡|范茹|徐嘉颖

东南大学土木工程学院，南京 211189，中国

摘要

厌氧铵氧化（Anammox）为氮去除提供了一种低碳途径，但其对亚硝酸盐（NO₂^?-N）的依赖限制了其大规模应用。新兴证据表明，Anammox细菌（AnAOB）可以通过细胞外电子转移（EET）在不需要NO₂^?-N的情况下氧化铵（NH₄⁺-N）。然而，这一过程在混合微生物群落中的长期稳定性尚未得到解决。本研究通过运行微生物电解池260天，探讨了阳极电位和导电载体如何调节依赖EET的Anammox反应。当阳极电位达到0.4–0.6 V（相对于标准氢电极SHE）时，可以实现了无需NO₂^?-N的NH₄⁺-N去除，去除速率达到103.61 ± 9.22 mg N·L^{?1?1（比高富集群落高出约2.5倍），这一过程由羟胺氧化还原酶介导。导电载体使电子通量增加了4.9倍，促进了蛋白质分泌，并稳定了生物膜的形成。高电位结合导电载体富集了具有电活性的AnAOB（Candidatus Kuenenia、Candidatus Brocadia），并诱导了代谢方式从依赖NO₂?-N向依赖EET的转变。这些发现证明了EET依赖的Anammox反应的长期持续性，为可扩展的、无碳氮去除技术提供了理论依据。}

引言

人类活动严重扰乱了全球氮循环，导致水生环境中氮污染普遍存在。这种破坏加剧了富营养化、生物多样性丧失和温室气体排放，对可持续发展构成了重大挑战（Sun等人，2023年）。厌氧铵氧化（Anammox）被认为是生物氮去除领域的突破性技术。在该过程中，铵（NH₄⁺-N）直接利用亚硝酸盐（NO₂^?-N）作为电子受体进行氧化，从而消除了对有机碳的需求，并大幅降低了曝气要求（Zhang等人，2024a）。由于几乎不产生碳排放，Anammox为废水处理提供了一种可持续的替代方案。然而，其对NO₂^?-N的依赖仍然是一个根本性限制（Peng等人，2025年）。由于NH₄⁺-N是废水中的主要氮形式，因此必须通过部分硝化或部分反硝化过程生成NO₂^?-N。这些辅助步骤能耗较高且操作不稳定，从而限制了Anammox的大规模应用（Gao等人，2023年）。

生物电化学系统的最新进展为克服这一限制提供了希望。在微生物电解池（MECs）中，可控的阳极电位驱动了细胞外电子转移（EET），使微生物能够将底物氧化与电极反应耦合起来（Zhai等人，2023年）。值得注意的是，Shaw等人（2020年）证明，以Candidatus Kuenenia和Candidatus Brocadia为主的高富集Anammox细菌（占总微生物群落的95%以上）可以在没有NO₂^?-N的情况下通过EET氧化NH₄⁺-N。然而，在实际废水系统中，AnAOB与硝化菌、反硝化菌和其他功能性微生物共存，形成了复杂的微生物群落（Zhou等人，2024年）。在这些微生物群落中，阳极电位如何诱导代谢方式从依赖NO₂^?-N的Anammox转变为依赖EET的Anammox的机制尚不明确。先前的研究表明，施加外部电位可以增强微生物的电活性并促进EET（Li等人，2025b；Zhang等人，2023b）。然而，启动和维持长期依赖EET的Anammox所需的具体阳极电位阈值尚未确定（Shaw等人，2020年；Yin等人，2015b；Zheng等人，2024年）。这一转变背后的生化介质和酶促机制也不清楚，特别是与氮代谢相关的酶的代谢反应以及细胞色素c（Cyt. c）介导的电子传输的作用。

另一个影响MECs中依赖EET的Anammox的关键但未解决的问题是载体导电性的影响。导电载体通过促进电子转移和生物膜形成来增强生物电化学活性（Zhao等人，2024年；Zhao等人，2022b）。然而，它们在介导种间电子交换和生态合作中的作用尚未得到充分研究。具体来说，尚不清楚载体导电性如何驱动具有电活性的AnAOB的分化，支持电共生网络的形成，以及决定直接或间接EET途径的优先性。更重要的是，阳极电位和载体导电性共同决定了电子传输的方向性和效率；然而，它们对AnAOB代谢转变和群落演化的联合效应尚未从机制上得到解释。

为了解决这些问题，我们建立了单室MEC系统，以探索阳极电位和导电载体在长期连续运行下对依赖EET的Anammox的协同调控作用。具体目标包括：（i）确定阳极电位阈值如何通过氮代谢相关酶（尤其是羟胺氧化还原酶HAO）激活依赖EET的NH₄⁺-N氧化；（ii）载体导电性如何通过Cyt. c表达和细胞外聚合物物质（EPS）分泌增强电子通量并提高生物膜电活性；（iii）这些因素如何共同重构微生物群落并促进电共生网络。这种综合方法建立了首个描述混合群落条件下依赖EET的Anammox调控的长期机制模型，为开发可扩展的、无NO₂^?-N和无碳氮去除技术提供了理论支持。

实验部分

反应器设置和接种

本研究构建了六个MEC。每个反应器采用上流式厌氧污泥覆盖层配置，直径为6厘米，高度为34厘米。反应器由聚甲基丙烯酸甲酯制成，有效工作体积为1.16升。每个反应器顶部安装了0.1微米孔径的微滤膜作为出水装置。反应器结构如图1所示。电位使用电位计（CHI1030C，上海晨华）进行控制。

不同阳极电位和导电载体下依赖EET的Anammox的长期性能

为了研究阳极电位和导电载体对Anammox系统中氮去除的影响，进行了多阶段实验（图2）。在第一阶段，进水中的NH₄⁺-N和NO₂^?-N浓度均维持在120毫克/升。当六个反应器的平均总氮去除负荷没有显著差异（p > 0.05）时，认为系统成功启动。从第二阶段到第四阶段，进水中的NH₄⁺-N浓度逐渐增加。

结论

本研究表明，0.4–0.6 V的阳极电位阈值是实现无需NO₂^?-N的依赖EET的Anammox的主要驱动因素，通过激活HAO介导的途径维持了NH₄⁺-N的去除（高达103.61 ± 9.22毫克/升·天）。导电载体增强了电子通量，富集了具有电活性的AnAOB，并促进了直接EET网络的形成。群落和酶分析表明，高阳极电位和导电载体共同形成了以Candidatus为主的电共生联盟。

CRediT作者贡献声明

杨光霞：撰写 – 原始草稿，实验研究。周俊宏：实验研究。杨晓莉：撰写 – 审稿与编辑，项目监督。史飞凡：实验研究。范茹：实验研究。徐嘉颖：实验研究。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能会影响本文工作的财务利益或个人关系。

致谢

本工作得到了国家自然科学基金（51978148、42477014）和江苏省研究生研究与实践创新计划（KYCX21_0120）的支持。