宏基因组学揭示了由不同价态铁驱动的内源性部分反硝化（EPD）的机制：亚硝酸盐积累、微生物适应性以及相关功能基因和代谢途径

铁形态对内源部分反硝化系统微生物群落及代谢的影响研究。通过引入不同价态铁（nZVI、Fe(II)、Fe(III)）并利用代谢组学分析，发现Fe(III)在去除化学需氧量（COD）、硝酸盐（NO3?-N）和磷酸盐（PO4^3?-P）方面效果最佳，其NO2?-N积累达27.7±3.7 mg/L，PO4^3?-P去除效率64.7±7.5%。铁添加改变了微生物群落结构，如Candidatus Competibacteraceae和Thauera丰度显著增加，并抑制了部分反硝化关键基因（nirS/nirK、norB、nosZ）。

　　

金宝丹|严晔宇|白志轩|何华|杜静静|徐远倩|马创|王兰|季建涛

中国郑州轻工业大学材料与化学工程学院，河南省环境污染控制与生态修复协同创新中心，郑州450001

摘要

为了提高内源性部分反硝化（EPD）系统的性能，本研究引入了不同价态的铁（纳米零价铁（nZVI）、Fe(II)和Fe(III)），并利用宏基因组学方法研究了它们对微生物群落和代谢途径的影响。结果表明，添加铁显著改善了COD、NO₃^?-N、PO₄^3?-P的去除效果以及NO₂^?-N的积累。其中，Fe(III)的效果最为显著，其NO₂^?-N积累量为27.7?±?3.7?mg/L，PO₄^3?-P去除效率为64.7?±?7.5%；而过量的Fe(II)和Fe(III)（40?mg/L）则抑制了NO₂^?-N的积累。虽然整体微生物群落结构保持稳定，但铁的添加丰富了特定的反硝化菌和磷积累菌属，如Candidatus Competibacteraceae（1.36%、2.40%、2.30%）、Candidatus Competibacter（0.40%、0.65%、0.62%）和Thauera（3.02%、1.76%、3.00%）。nZVI促进了碳的利用和反硝化基因的表达，增强了内源性碳转化和氮代谢。相比之下，Fe(II)和Fe(III)通过抑制关键基因（nirS/nirK、norB、nosZ）促进了NO₂^?-N的积累，并使磷代谢向化学去除方向转变。外源性铁通过下调铁代谢基因（afuA、fbpA、afu）来缓解铁毒性压力，从而优化了EPD系统的性能。这些发现为优化EPD系统和提高废水处理中的营养物质去除效果提供了理论支持。

引言

厌氧氨氧化（Anammox）技术作为一种高效且节能的生物反硝化工艺，在氮循环中起着关键作用，并在废水处理领域展现出巨大潜力。该过程由专门的厌氧细菌——Anammox细菌介导，它们在厌氧条件下利用亚硝酸盐（NO₂^?-N）作为电子受体将铵（NH₄⁺-N）氧化为氮气（N₂），从而实现氮的去除（Zhang & Okabe, 2020）。然而，其广泛应用受到亚硝酸盐稳定供应的挑战，且本身无法去除磷（PO₄^3?-P）（Lijie et al., 2025）。内源性部分反硝化（EPD）系统利用内源性碳源作为电子供体，不仅可以稳定地为Anammox提供NO₂^?-N，提高有机物利用效率，防止有机物抑制Anammox，还能同时去除PO₄^3?-P（Ji et al., 2018）。与传统部分硝化-反硝化工艺相比，EPD具有显著优势，如节省碳源、减少污泥产生、提高亚硝酸盐积累效率以及具备固有的磷去除能力。因此，EPD的研究对于推动Anammox技术的广泛应用具有重要意义。

在EPD过程中，反硝化糖原积累菌（DGAOs）和反硝化聚磷酸盐积累菌（DPAOs）的协同增殖促进了NO₂^?-N的积累和PO₄^3?-P的去除（Wang et al., 2019; Ma et al., 2023; Jin et al., 2024）。例如，Ma et al.（2023）在富含这些菌的PN/A-EPD生物膜系统中实现了94.47%的总氮去除率；Jin et al.（2024）报告了64.82%的PO₄^3?-P去除率和94.81%的NO₂^?-N积累率。这些研究证实了EPD/Anammox（EPD/A）工艺在处理高硝酸盐/磷酸盐浓度和低碳氮比废水中的有效性（Ji et al., 2018）。尽管近期取得了进展，EPD技术仍面临启动时间长、亚硝酸盐积累速率高和运行不稳定等问题。为了解决这些问题，采用了参数优化、先进反应器设计和化学添加等策略来刺激微生物活性并提高氮去除效果（Zhang et al., 2022; Jin et al., 2024）。铁是一种多功能元素，在废水处理中有广泛应用。尽管地表水中铁的含量限值为4⁺-N和NO₃^?-N）中铁含量较高，从钢铁废水中的4.8?mg/L到磷酸铁母液中的30–60?mg/L不等（Blanco-Vieites et al., 2022）。这类含铁废水可能通过管道腐蚀、泄漏或突发事件进入水体，对废水处理系统性能产生不利影响。由于EPD系统依赖于DPAOs和DGAOs之间的复杂相互作用，这些微生物群落对铁胁迫的反应具有不确定性。因此，研究铁暴露对EPD系统的影响及其背后的微生物机制对于该技术的实际应用至关重要。

纳米零价铁（nZVI）在工业废水中被广泛用于重金属还原、有机物降解和反硝化（Li et al., 2014）。作为电子供体，nZVI减少了反硝化对有机物的依赖。此外，nZVI的腐蚀会释放Fe(II)/Fe(III)，这些铁离子可被细菌用于共生代谢。Dou et al.（2022）发现nZVI会引发氧化应激，促使细菌分泌EPS以自我保护，这种EPS基质为微生物生长和代谢提供了有利环境，从而提高整体反硝化效率。同样，Fe(II)作为电子供体可将NO₃^?-N还原为NO₂^?-N，从而提升反硝化性能（Liu et al., 2023）。研究表明，添加24?mg/L的Fe(II)不仅上调了硝酸盐还原酶（NAR）的合成，还重塑了微生物群落，有利于自养反硝化菌的生长（Ma et al., 2021; Ma et al., 2025）。Fe(III)在反硝化过程中通过缓解电子限制起关键作用。例如，Xu et al.（2025）发现Fe(III)改性的生物炭（10?g/L）通过增强细胞内代谢和群落相互作用显著加速了反硝化过程。虽然适量的Fe(III)可以刺激关键酶活性并丰富反硝化菌群落，但长期过量添加（>10?mg/L）可能具有毒性，破坏细胞膜并影响系统性能（Pang & Wang, 2023）。显然，铁离子在废水处理中起着重要作用。

在部分反硝化/Anammox（PD/A）系统中，nZVI显著改变了与氮和碳代谢相关的功能基因，促进了Feammox反应并丰富了DNRA基因（narY/Z、nrfA），同时抑制了基于碳的电子生成，表明铁可作为替代电子供体，减少对有机碳的需求（Dou et al., 2022）。在主流Anammox系统中，长期添加Fe(II)同样改变了氮代谢基因并调节了能量和碳代谢途径。综上所述，这些结果突显了Fe(II)/Fe(III)循环在调节电子动态和碳源利用中的关键作用（Wang et al., 2023）。因此，推测nZVI会对EPD系统中的碳和氮代谢产生显著影响。尽管不同铁价态的通用作用已被明确，但EPD系统中酶、EPS和代谢途径的具体变化仍不甚清楚，这阻碍了对相关机制的理解。因此，进一步研究对于阐明这些机制和提高基于Anammox的EPD系统的性能和应用性至关重要。

本研究旨在阐明铁在增强EPD过程中的独特作用，并系统研究了不同价态（nZVI、Fe(II)、Fe(III）和浓度（5、10、15、20、30、40?mg/L）对化学需氧量（COD）、NO₃^?-N、PO₄^3?-P去除以及NO₂^?-N积累的影响。此外，还利用宏基因组学方法分析了这些适应条件下微生物群落和代谢途径的动态变化，从而探索了系统性能的调控机制。这些研究结果将为优化反硝化过程和提高氮去除效率提供科学依据，对开发环保型营养物质去除技术和控制水体富营养化具有重大意义。

反应器操作

四个工作体积为10?L的序批式反应器（SBRs）运行了大约130天（260个循环），以驯化EPD系统。这四个反应器分别标记为F1（空白对照）、F2（添加nZVI）、F3（添加FeCl₂）和F4（添加FeCl₃），所有反应器均采用厌氧/缺氧/沉淀/后好氧（A/A/P）模式运行。每个循环包括120分钟的厌氧阶段。

COD去除

为了全面评估EPD系统的整体净化性能，研究了整个运行周期内不同浓度梯度下的平均污染物去除效率（表1）。

通过比较四个反应器，研究了不同价态和浓度的铁对EPD系统COD去除效率（CRE）的影响。结果表明，四个EPD系统之间的CRE没有显著差异。

结论

本研究表明，铁的价态是通过调节微生物电子传输和代谢网络来影响EPD系统性能的关键因素。nZVI通过提高碳源的代谢效率增强了反硝化作用。Fe(II)通过选择性激活NO₃^?-N还原途径加速了NO₂^?-N的积累。相比之下，Fe(III)利用其强氧化性质并诱导化学沉淀，进一步促进了反硝化过程。

CRediT作者贡献声明

金宝丹：概念设计。严晔宇：概念设计。白志轩：数据整理。何华：数据整理。杜静静：实验研究。徐远倩：实验研究。马创：方法学设计。王兰：资源获取。季建涛：资金筹措。

利益冲突声明

作者声明没有已知的财务利益冲突或个人关系可能影响本文的研究结果。

致谢

本研究得到了国家自然科学基金（项目编号：42007340和42377375）、河南省科技项目（项目编号：232102321058）以及河南省重点科技项目（项目编号：202102310282）的财政支持。