《Journal of Environmental Chemical Engineering》：A Study on the Nitrogen Removal Efficiency of Anaerobic Ammonium Oxidation Reactors Under the Influence of Low-Magnetic Bio-Carriers
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氮污染治理中，本研究创新性开发磁生物载体Fe3O4/NdFeB/波特兰水泥复合材料，系统评估0-2.5 mT磁场对厌氧氨氧化（anammox）系统性能的影响。实验表明，0.5 mT和2.5 mT磁场条件下系统硝酸盐去除率达82.27%±1.68%和84.33%±1.07%，较无磁场控制分别提升38.44%和40.76%。16S rRNA测序及PICRUSt分析揭示磁场通过选择性环境过滤显著改变生物膜群落结构：0.5 mT促进Candidatus Jettenia/Brocadia与反硝化菌协同代谢，2.5 mT则富集Proteobacteria类群并上调代谢相关基因表达。该集成磁生物载体技术实现了物理刺激与生物增强协同增效，为提升anammox系统稳定性和处理效能提供创新解决方案。
Kun Qian|Shuai Zhang|Xinqiang Jia|Xiaoyu Wang|Jiabin Wang|Jing Deng
济南大学土木工程学院，中国山东省济南市250022
摘要
废水中的过量氮是一个全球性问题，然而传统的厌氧氨氧化（anammox）过程受到细菌生长速度慢和抗冲击能力差的限制。为了提高氮去除效率，本研究将带有磁场的生物载体引入了anammox系统。采用烧结-退火工艺制备了Fe3O4/NdFeB/Type-425波特兰水泥复合载体，其磁场强度为0–2.5 mT，并分别将其添加到四个相同的向上流式厌氧反应器中。在受控条件下连续运行该系统，以全面评估其氮去除性能、抗冲击能力和微生物群落演替模式。在最佳条件下，0.5 mT和2.5 mT下的反应器平均亚硝酸盐-氮去除效率分别为82.27%±1.68%和84.33%±1.07%，相对于无磁对照组分别提高了38.44%±0.32%和40.76%±0.56%。高通量16S rRNA测序和PICRUSt功能预测表明，磁场作为一种选择性环境过滤器，以磁场强度依赖的方式重塑了生物膜群落。中等强度的磁场（0.5 mT）促进了包含anammox细菌（Candidatus Jettenia、Candidatus Brocadia）和反硝化菌的协同作用，而较高强度的磁场（2.5 mT）则显著富集了基于Proteobacteria的反硝化菌，并上调了与代谢、复制修复和信号转导相关的基因。这些发现表明，集成的磁性生物载体有效结合了物理刺激和生物增强作用，为提高基于anammox的废水处理系统的性能和稳定性提供了一种有前景且可扩展的策略。
引言
工业和农业技术的进步导致大量含氮化合物排放到水体中，造成了严重的污染[24]、[3]、[48]。工业废水[39]、氮丰富化学品（如炸药和硝酸[27]）的广泛使用以及农业中氮肥的过量施用都超出了接收水体的环境承载能力[1]，破坏了自然氮平衡并引发了严重的富营养化[21]。因此，为了解决氮污染问题，人们开发了各种氮去除技术。这些技术可以分为物理化学方法以及化学和生物过程[40]。在生物方法中，两种传统方法是活性污泥法和生物膜系统。在活性污泥系统中，生长缓慢且世代时间长的微生物容易随着多余污泥被冲走[4]。相比之下，这些生长缓慢的微生物一旦附着在生物膜载体上，就能更容易地繁殖并发展成更加多样和丰富的微生物群落（G. [17]；Y. [60]）。
自然界中的所有物体都具有磁性，但不同材料的磁性强弱及其产生的磁场各不相同，磁场会对置于其中的任何物质施加作用力[2]。磁场对不同生物体的影响也不同，磁场引起的微生物变化总和被称为微生物的磁效应[16]。先前的研究表明，暴露于磁场可以增强微生物的生长速率、生物量积累和生物合成活性[57]。在适当的磁场强度范围内，磁场可以增加细胞内酶的活性，从而加速反应速率并促进生长[23]。许多研究人员使用不同磁场强度的磁性序批反应器（SBRs）来提高反硝化性能、优化污泥沉降，并改善微生物群落的稳定性和多样性[10]、[20]。已经开发出将磁技术集成到各种水处理过程中的反应器，并且其性能提升已通过实验得到验证[25]、[28]。
目前用于anammox过程的磁增强策略主要依赖于两种方法：将外部磁铁固定在反应器上，或将磁性粉末/颗粒直接添加到污泥中。尽管在某种程度上有效，但这些方法存在一些固有的局限性，阻碍了其实际应用：（1）磁场不均匀——外部磁铁通常会产生空间异质的磁场，导致微生物暴露不均，从而影响过程效果；（2）材料保留和稳定性差——磁性粉末容易被冲走，导致磁强度迅速下降，可能引起二次污染，并增加运营成本；（3）与生物量的结合较弱——物理混合的磁性颗粒与生物膜载体的结合不稳定，在水力剪切作用下无法长期发挥协同效应。
因此，本研究旨在开发一种新型的集成磁性生物载体，以提高反应效率。这种载体不仅实现了将磁源嵌入载体内部并提供有利于生物膜附着的多孔表面的目标，还确保了磁场在载体-生物膜界面均匀分布，从而为微生物提供持续且一致的刺激。本研究的主要目标是：（ⅰ）确定能够生成每个颗粒周围稳定、低强度磁微环境的最佳制备工艺；（ⅱ）研究在不同磁场条件下不同因素的反硝化特性；（ⅲ）分析不同磁场条件下厌氧反硝化过滤器中的微生物群落分布和演替模式。
章节摘录
磁性生物载体的制备
磁性生物载体可以通过多种途径制备[15]、[5]、[58]。基于我们研究小组之前的实验结果（X. [51]），本研究采用了一种在烘烤过程中进行温度循环的方法来保持材料的残余磁性能。这种方法最大限度地减少了内部对磁畴的损伤，同时赋予颗粒较高的抗压强度和优异的抗水力剪切能力，从而克服了机械性能不足的问题
不同因素对制备的生物载体磁场强度的影响
我们研究小组的初步实验结果表明，纳米Fe3O4含量、磁化时间和磁化频率等因素对制备载体的磁场强度有不同的影响（X. [51]）。因此，需要进行单因素实验来评估这些关键参数对载体磁场强度的影响程度。
具有不同纳米Fe3O4含量和不同粒径的磁性载体
结论
本研究表明，将新型磁性生物载体集成到anammox系统中是提高氮去除效率的有效策略。关键的创新在于载体的双重功能：它不仅作为坚固的生物膜支撑结构，还是生物膜-载体界面处低强度磁场的集成和稳定来源。磁场强度（0.5、1.5或2.5 mT）是载体的内在可调属性
资助
本工作得到了国家自然科学基金区域创新与发展联合基金（U24A20187）的支持。
CRediT作者贡献声明
Kun Qian：方法学、形式分析、概念化。Shuai Zhang：写作——审稿与编辑。Xinqiang Jia：项目管理。Xiaoyu Wang：写作——初稿撰写、数据管理。Jiabin Wang：监督。Jing Deng：数据管理。
利益冲突声明
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。
