异养硝化-好氧反硝化细菌中，纳米级零价铁对铁转运和氮代谢的尺寸依赖性调控

《Bioresource Technology》：Size-dependent regulation of iron transport and nitrogen metabolism by nanoscale zero-valent iron in heterotrophic nitrifying–aerobic denitrifying bacteria

纳米零价铁（nZVI）尺寸调控微生物反硝化机制研究。通过系统评估5-500nm nZVI对异养硝化-好氧反硝化（HN-AD）菌的反硝化性能、铁代谢及全球基因表达影响，发现100nm nZVI缓慢释放Fe2?激活铁储存、TCA循环及电子传递链，使NH???N和TN去除率分别提升10.9%和15.7%；而20nm nZVI快速释放Fe3?和ROS，诱导细胞应激，抑制反硝化关键基因表达，降低氮去除效率。揭示了“尺寸-铁形态-转运-代谢网络”调控机制。

　　

梁杰李|刘宇凡|桂旭伟|周冰雪|邢志林|柯希红|袁建华|赵天涛

重庆理工大学化学与化学工程学院，中国重庆400054

摘要

纳米级零价铁（nZVI）在水体污染修复中得到了广泛应用，但颗粒大小对微生物反硝化过程的调控机制尚不清楚。本研究以异养硝化-好氧反硝化（HN-AD）细菌为模型，系统评估了不同粒径（5–500 nm）的nZVI对反硝化性能、铁代谢和全局基因表达的影响。研究发现，颗粒大小显著影响nZVI的腐蚀行为和铁的释放，进而决定了微生物的代谢响应方向。对于100 nm的nZVI，它能够缓慢且持续地释放Fe²⁺，这些Fe²⁺通过细胞的铁转运系统被有效吸收，从而协同激活了铁储存途径、三羧酸（TCA）循环和电子传递链。这种响应伴随着关键反硝化基因（nasA和nirB）的上调，使氨氮和总氮的去除率分别提高了10.9%和15.7%。相比之下，20 nm的nZVI会迅速腐蚀并释放Fe³⁺和活性氧（ROS），使细胞进入以铁转运系统（afuA/B/C）和氧化损伤修复（wrbA）为主导的应激修复状态。结果，编码关键碳代谢酶和反硝化途径的基因受到抑制，氮去除能力下降。本研究阐明了nZVI粒径效应在“颗粒大小-铁形态-转运-代谢网络”中的作用机制，为精确应用nZVI促进微生物反硝化提供了理论基础。

引言

氮污染已被认定为全球性的环境问题。农业退化、工业废水和城市污水中的氮积累导致水体富营养化，威胁生态系统完整性和公共健康（Liu和Wang，2019；Ward等人，2018）。生物修复因其高效、低成本和低二次污染风险而被广泛用于氮去除（Li等人，2024）。然而，传统的自养硝化-反硝化系统受到硝化细菌生长缓慢及其对环境变化敏感性的限制，导致氮去除效率低、操作过程复杂、成本高和处理周期长（Xia等人，2020）。相比之下，异养硝化-好氧反硝化（HN-AD）细菌生长迅速，对有机负荷具有很强的耐受性，能够在单一反应器中同时进行硝化和反硝化，从而简化了工艺流程并提高了氮去除效率（Ahmad等人，2023；Zhang等人，2022a）。因此，HN-AD技术被认为具有大规模应用的前景。

尽管具有这些优势，但由于某些废水中有机碳不足以及复杂基质中电子供体的限制，HN-AD的实际应用仍受到限制，导致反硝化受阻和亚硝酸盐等中间产物的积累。因此，提出了结合功能性材料的生物强化策略来稳定和提高氮去除效率。铁不仅作为参与硝化和反硝化关键酶的辅因子，还参与电子传递和辅助代谢过程，从而影响微生物的氮代谢（Lu等人，2024）。在特定条件下，添加亚铁/铁离子或使用零价铁（ZVI）可显著加速硝酸盐的去除（Zhang等人，2017）。例如，当Fe³⁺浓度达到50 mg·L^?1时，硝化过程中氨氮（NH₄⁺-N）的去除效率可提高75–85%。此外，ZVI在水溶液中氧化释放的Fe²⁺可作为电子供体，增强反硝化作用，实现显著的NO₃^–-N去除。与宏观尺度的ZVI相比，纳米级零价铁（nZVI）具有更大的比表面积和更高的反应性，产生更多的生物可利用电子和溶解铁物种，从而促进微生物的还原代谢（Li等人，2021；Sun等人，2021；Wang等人，2022；Xu等人，2024）。因此，引入nZVI被认为是提高生物氮去除效果并与其结合实现协同效应的创新方法。

颗粒大小对nZVI的生物相容性至关重要。较小颗粒（<20 nm）由于高反应性而引发严重的氧化应激和膜损伤，而较大颗粒（>100 nm）则更稳定地释放Fe²⁺，降低毒性并支持反硝化过程（Lefevre等人，2016；Su等人，2022）。例如，20 nm的nZVI能够穿透细胞膜并引发强烈的氧化应激和活性氧生成，而80 nm的nZVI则通过缓慢释放Fe²⁺维持电子传递，减少反硝化颗粒污泥中的亚硝酸盐积累。颗粒大小的不同还影响微生物群落的重组：小颗粒（<50 nm）可能通过膜损伤抑制脱氢酶活性，而大颗粒则倾向于在载体微孔中富集耐铁菌种，并促进Fe²⁺/Fe³⁺循环与反硝化的耦合（Lefevre等人，2016；K?l??等人，2025；Zhang等人，2022b）。总体而言，nZVI的生物相容性和功能性取决于毒性抑制与代谢激活之间的平衡。然而，关于纳米级铁释放和特定转运途径如何调控跨膜铁吸收、细胞内代谢稳态以及HN-AD系统中氮代谢途径的机制仍不甚明确。尽管有实证表明粒径效应的存在，但其分子和细胞层面的机制仍不完整。特别是，nZVI粒径如何精确调控HN-AD系统中的细胞内铁转运、代谢稳态和氮代谢途径尚不清楚，这限制了对其应用效果的预测和合理设计。

为解决这些基础问题，本研究建立了因果关系而非单纯的相关性观察。首先系统评估了不同nZVI粒径和浓度对HN-AD性能的影响，随后采用多组学方法解析了涉及腐蚀动力学、铁转运调控、氧化还原稳态和碳/氮代谢重塑的分子级过程。分析揭示了不同粒径nZVI如何引起跨膜转运压力、扰乱细胞内稳态并驱动代谢途径的重构。这些机制性见解为描述nZVI粒径对HN-AD反硝化调控的新概念模型提供了依据，为下一代氮去除过程的智能设计提供了理论框架和实践指导。

菌株和试剂

本研究中使用的菌株为Acinetobacter sp. TAC-1，该菌株从中国重庆的养猪场废水中分离得到，并因其在水处理应用中的重要性而被选为模型菌株。该菌株具有高效且同时进行异养硝化和好氧反硝化的能力，能在好氧条件下将氨直接转化为气态氮（N₂）。

nZVI粒径对TN去除的影响

图1显示了不同nZVI粒径和剂量对TN去除效率的影响，表明粒径和浓度共同决定了nZVI是促进还是抑制TN去除。当粒径≤30 nm且浓度较高（0.6–0.8 g·L^?1）时，TN去除效率显著降低，最大降幅达21.6%（图1a–c）。在低浓度（≤0.1 g·L^?1）下，小颗粒（≤30 nm）可短暂促进TN去除。

结论

本研究系统探讨了nZVI粒径对HN-AD菌株反硝化代谢和铁调控机制的影响。结果表明，100 nm的nZVI显著提高了氮去除效率，使NH₄⁺-N和TN的去除率分别提高了10.9%和15.7%。Fe²⁺的缓慢释放促进了其通过FeoB/FeoA转运系统的吸收，进而协同激活了铁储存、TCA循环和电子传递。

未引用的参考文献

Shi等人，2024；Lei等人，2016。

CRediT作者贡献声明

梁杰李：撰写初稿、软件使用、资源准备、方法学设计、实验实施、数据分析、数据整理。刘宇凡：方法学设计、实验实施、数据分析、数据整理。桂旭伟：方法学设计。周冰雪：方法学设计、实验实施、数据分析、数据整理、概念构建。邢志林：撰写与编辑、初稿撰写、软件使用、资源准备、方法学设计、实验实施、资金申请、数据分析、概念构建。柯希红：

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冲突或个人关系。

致谢

作者感谢中国重庆市教育委员会科学技术研究计划（KJQN202201131、KJZD-M202301103）、重庆研究生研究与创新项目（CYS240711）以及重庆技术创新与应用发展重点项目（CSTB2025TIADKPX0022）的财政支持。此外，重庆建筑设计研究院有限公司也为本研究提供了支持：（1）关于预防策略的研究