《Journal of Environmental Chemical Engineering》：Start-up strategy of Fe(III)EDTA reduction under low DO conditions and iron transformation in a H
2-based membrane biofilm reactor
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铁还原微生物在低溶解氧条件下通过间接培养（先建立反硝化生物膜再富集铁还原菌）较直接培养效率提升3.75倍至86.11%，核心属包括Crenothrix、Geobacter、Leptothrix，氧气暴露导致直接培养中铁沉积，间接策略无膜表面沉积且铁损失率仅1.26%。
王帅|钱飞月|顾宇|徐梦蝶|王建芳|徐正辉
中国江苏省苏州市苏州科技大学环境科学与工程学院，215009
摘要
能够还原Fe(III)EDTA的微生物通常是严格厌氧菌。在有氧条件下富集和维持这些微生物的还原活性对生物反应器的启动和稳定运行构成了重大挑战。本研究通过比较两种策略，探讨了在低溶解氧（DO）条件下培养这类微生物的方法及其影响因素：直接培养铁还原生物膜，以及先建立反硝化生物膜再富集铁还原微生物。结果表明，优先发展反硝化生物膜的间接策略有效缓解了氧的抑制作用，并为严格厌氧的铁还原菌提供了适宜的生存环境。该方法实现了86.11%的平均铁还原效率，还原速率为0.03 mmol·L?1·min?1，比直接策略提高了3.75倍。共现网络分析显示，高度互联的微生物网络促进了铁还原菌的生长和活性，其中Crenothrix、Geobacter和Leptothrix是核心功能菌属。在直接培养策略中，氧气暴露导致膜纤维和管道连接处积累了大量铁沉积物；而间接培养策略则没有出现膜表面沉积物，稳定后的平均铁损失率为1.26%。FAPROTAX分析表明微生物参与了铁和硫的循环，既增强了铁的还原效果，又减少了沉积物的产生。本研究为使用基于H?的膜生物反应器（H?-MBfR）处理含氧烟气提供了新的见解和理论支持。
引言
氮氧化物（NO?）主要来源于含氮燃料的燃烧，对颗粒物（PM?.5）和臭氧（O?）的形成有显著贡献，因此是控制大气污染物的关键指标。烟气中的约85-90%的NO?以一氧化氮（NO）的形式存在[1]。因此，减少NO排放对于协同控制PM?.5和O?至关重要。近年来，选择性催化还原（SCR）、选择性非催化还原（SNCR）和吸附等方法被广泛用于烟气中的NO去除。然而，这些技术主要用于大规模烟气处理，且成本较高且可能引发二次污染。相比之下，生物方法因其投资成本低、能耗低和二次污染少，成为中小型燃煤烟气处理的经济可持续解决方案[2]。
烟气中NO的生物处理受NO溶解度低的限制，使得微生物难以有效利用它。通常使用Fe(II)EDTA来吸收和络合NO，形成Fe(II)EDTA-NO，随后由微生物将其转化为氮气并再生Fe(II)EDTA。再生的Fe(II)EDTA可重复用于NO的吸收[3]。传统生物方法常使用有机化合物作为电子供体。但在长期运行中，微生物的快速增殖和大量污泥的产生容易导致反应器堵塞。基于氢气的膜生物反应器（H?-MBfR）是一种新型膜处理技术，它利用无气泡曝气方式为附着在纤维膜表面的自养微生物提供氢气[4]。这些微生物将硝酸盐和高氯酸盐等氧化污染物还原为毒性较低或无害的还原产物[5]。该技术无需外部碳源[6]，产生的污泥量极少[7]，且不排放CO?[6]，在Fe(II)EDTA-NO的还原方面具有巨大潜力[8]。
由于工业烟气中通常含有3-8%的O?，在MBfR中H?作为电子供体还原Fe(II)EDTA-NO的过程中，生成的Fe(II)EDTA容易被氧化为Fe(III)EDTA。Fe(III)EDTA无法回收，必须重新还原为Fe(II)EDTA。关于在溶解氧（DO）条件下还原Fe(III)EDTA的研究主要集中在化学方法上，包括添加还原金属[9]、含硫还原剂[10]、有机还原剂[11]、催化还原材料[12]或使用电极材料[13]。尽管这些方法可以减轻氧气对Fe(III)EDTA还原的影响，但它们存在运营成本高、可能引发二次污染和微生物兼容性等问题，难以在生物系统中应用[14]。先前的研究已证明在严格厌氧条件下微生物可以高效还原Fe(III)[15][16]，但氧气会显著抑制铁还原菌的活性。研究表明，当生物过滤器从严格厌氧条件过渡到含氧6.5%的环境时，生成的Fe(II)EDTA浓度从15.5 mM降至5.4 mM[17]；在含氧7%的BTF-ABR系统中，Fe(II)浓度在12小时内从3 mM降至0.5 mM[18]。MBfR中Fe(II)EDTA-NO的处理不可避免地受到DO的影响。由于铁还原菌通常是专性厌氧菌，因此在有氧条件下富集和培养它们面临重大挑战，需要进一步研究。
生物膜的培养和功能微生物的富集通常通过直接培养实现，使微生物逐渐适应并增殖。在富集Fe(III)EDTA还原菌的过程中，系统中的DO是一个主要障碍。一种可行的策略是开发复合生物膜，让兼性微生物消耗DO，为厌氧微生物创造一个严格厌氧的环境[19][20]。在MBfR系统中，当氢气从生物膜内部（通过纤维膜）供应，而Fe(III)EDTA从外部液相提供时，对氧气敏感的铁还原菌倾向于在靠近膜的生物膜基层增殖；而微好氧微生物则主要分布在靠近液相的生物膜外层，从而形成分层的生物膜结构。
由于MBfR系统中Fe(III)EDTA-NO的还原过程伴随着反硝化反应，因此在液相附近形成兼性反硝化生物膜可以同时实现反硝化和降低微环境中的DO。某些反硝化细菌具有细胞质中的氧化还原酶和膜结合的末端氧化酶，从而在低氧条件下维持正常的代谢活动[21]。厌氧细菌通过氧化酶进行生物呼吸，能够在受生物膜粘度限制的条件下创建局部厌氧环境，为严格厌氧的铁还原菌提供最佳条件。此外，研究表明某些反硝化细菌可以直接还原Fe(III)EDTA，促进Fe(II)EDTA的再生[22][23]。
因此，本研究的目的是探讨在低DO条件下富集具有Fe(III)EDTA还原能力的生物膜的适当培养策略及其潜在影响因素，并分析了铁的损失和转化特性，以及微生物群落组成和在有氧条件下的功能-代谢情况。
实验装置与操作
本研究中使用的典型H?-MBfR的示意图和实验装置如图1所示。MBfR系统由两个有机玻璃管组成，主管装有40根中空纤维膜（三菱公司，日本），副管装有32根相同的纤维膜。主管和副管通过Tygon Norprene A60F管（Masterflex，美国）连接，整个系统通过蠕动泵在膜模块内循环。
不同培养策略下MBfR系统的Fe(III)还原性能
为了评估各种培养策略的铁还原效率，研究了在低DO条件下RIDC和RDC中Fe(II)和Fe(III)浓度的变化（图2）。在RIDC中，初始阶段接种的反硝化菌难以适应有氧环境，导致性能下降；大约7天后，随着细菌的适应，性能逐渐改善。
结论
本研究证明，在含氧条件下，间接培养策略能够快速富集铁还原菌，铁还原效率高达86.11%。该方法有效缓解了氧气对铁还原菌活性的抑制作用，并减少了离子沉积。生物膜内反硝化菌和铁还原菌的不同空间分布有助于高效去除铁。
作者贡献声明
徐梦蝶：资源获取、数据整理。王建芳：撰写、审稿与编辑、验证、监督、资金获取、概念构思。钱飞月：数据可视化、资源获取、数据整理。顾宇：数据整理。王帅：撰写、审稿与编辑、数据可视化、方法学研究、数据分析、概念构思。徐正辉：撰写、审稿与编辑、数据可视化、资金获取。
利益冲突声明
作者声明没有已知的可能影响本文研究的财务利益或个人关系。
致谢
本研究得到了国家自然科学基金（项目编号51878430）、江苏省自然科学基金（项目编号BK20211339）以及苏州科技大学天平学院研究项目基金（项目编号2023TZKB-01）的支持。
