Fe(III)驱动的氮代谢途径协同作用：为完全自养氮去除（CANON）工艺的启动提供机制层面的见解

《Process Safety and Environmental Protection》：Fe(III)-driven synergy of nitrogen metabolic pathways: Promoting mechanistic insights for completely autotrophic nitrogen removal over nitrite (CANON) process startup

CANON过程通过外源Fe(III)补充实现启动加速，5mg/L Fe(III)使88天达到稳定运行，氮去除效率81.6%，铁-氮耦合机制促进微生物协同及功能基因表达。

　　

郭文斌|王洪宇|刘涛泽|左培东|周驰|周道|苏俊峰|张倩

中国武汉大学土木工程学院，武汉430072

摘要

完全自养型亚硝酸盐氮去除（CANON）工艺是一种高效的废水处理策略，但其实际应用受到曝气导致的启动缓慢和不稳定的限制。虽然以往的研究主要集中在无曝气条件下铁介导的独立厌氧氨氧化（anammox）系统的增强作用，但本研究表明，在曝气条件下，外源Fe(III)通过一种整合的铁-氮耦合机制来促进CANON系统的启动。通过140天的连续实验，发现5 mg/L的Fe(III)浓度是最优剂量，能够在88天内实现快速启动，并具有优异的氮去除效率（81.6%）。较高的剂量（10 mg/L）由于硝酸盐积累过多而抑制了系统性能。Fe(III)建立了一个连续的生物地球化学循环，其中Fe(III)/Fe(II)循环作为微生物-化学桥梁，有效耦合了厌氧氨氧化、部分硝化（DNRA）和反硝化（ANRA）过程。微生物群落分析显示，在最佳Fe(III)添加条件下，Candidatus_Brocadia菌株得到特异性富集。宏基因组证据表明，Fe(III)增强了关键功能基因的表达，促进了包括铁吸收、运输和铁硫（Fe-S）簇组装在内的代谢途径。本研究为曝气条件下CANON系统中的铁-氮耦合机制提供了证据，建立了从铁转化到微生物协同作用的完整链条。这些发现为优化铁强化厌氧氨氧化过程在废水处理中的应用提供了宝贵见解。

引言

厌氧氨氧化（anammox）是一种开创性和可持续的废水处理生物技术，其特点是自养性质和低能耗（Lawson等人，2017年；Strous等人，2006年）。该过程由厌氧氨氧化菌（AnAOB）催化，在厌氧条件下直接将铵和亚硝酸盐转化为氮（Kartal等人，2011年）。然而，这项技术在工程应用中仍面临关键挑战：AnAOB的代谢严格依赖于亚硝酸盐，而实际废水系统中的亚硝酸盐通常不稳定或浓度较低。亚硝酸盐供应的稳定性直接影响AnAOB的活性和富集效率，形成了一个关键瓶颈（Liu等人，2024a）。因此，确保稳定且充足的亚硝酸盐供应对于将厌氧氨氧化从实验室规模扩展到实际应用至关重要（You等人，2025年）。

完全自养型亚硝酸盐氮去除（CANON）工艺的开发旨在解决厌氧氨氧化应用中亚硝酸盐供应的持续问题（Gonzalez-Martinez等人，2016年）。该工艺通过精确控制溶解氧（DO）在同一反应器中耦合氨氧化菌（AOB）和AnAOB。AOB进行部分硝化，为AnAOB的代谢生成亚硝酸盐（Yue等人，2018年）。然而，AOB需要足够的氧气进行氨氧化，而AnAOB对氧气非常敏感，过量的氧气会抑制其代谢活性（Guo等人，2024a）。这种矛盾在启动阶段尤为突出，在微曝气条件下富集AnAOB并启动厌氧氨氧化是一个主要瓶颈（Guo等人，2026年）。因此，CANON系统通常需要较长的启动时间，并且在运行稳定性方面存在问题，限制了其实际应用（Yue等人，2018年）。

铁因其独特的物理化学性质和生物学作用而成为优化厌氧氨氧化过程启动的关键因素（Wang等人，2021年）。作为必需的微量营养素，铁支持多种微生物过程，包括细胞呼吸、电子转移和酶催化（Feng等人，2023年；Guo等人，2025年）。特别是在AnAOB中，核心代谢酶肼脱氢酶（HDH）和肼合成酶（HZS）依赖铁硫（Fe-S）簇作为辅因子，将其催化活性直接与铁的生物可利用性联系起来（Kartal等人，2011年；Maalcke等人，2016年；Pang等人，2022年）。最新研究表明，铁的添加促进了AnAOB分泌细胞外聚合物（EPS），形成保护性的厌氧微环境，减轻了氧的毒性（Han等人，2024年）。铁还作为有效的氧化还原介质促进了物种间的电子转移（Liu等人，2024b），而Fe(III)/Fe(II)循环可能通过细胞色素系统增强电子传递，直接提升AnAOB的代谢活性（Wang等人，2024年）。尽管Fe(II)由于其较高的生物可利用性通常比Fe(III)具有更好的促进效果，但Fe(II)容易在曝气条件下发生快速化学氧化（Li等人，2025年）。Fe(II)的这种不稳定性使得Fe(III)在涉及曝气的过程中尤为重要，例如CANON系统，因为Fe(III)是非厌氧环境中相对稳定和主导的铁形式（Yang等人，2021年）。尽管在厌氧反应器中的研究表明5 mg/L的Fe(III)可以富集Candidatus_Brocadia菌株（Hu等人，2024b），但这些发现不能直接应用于CANON系统。曝气的存在引入了动态的氧化还原循环和更复杂的微生物群落，因此Fe(III)在CANON系统中的行为，特别是其最佳剂量及其对微生物群落和功能基因的调控作用，仍不甚明了。

本研究系统地探讨了外源Fe(III)如何促进CANON过程的启动。我们进行了为期140天的连续实验，设置了四种不同的Fe(III)剂量，以评估其在多个层面的影响：（1）氮去除性能和启动动力学；（2）污泥的物理化学性质和微生物群落演替；（3）通过宏基因组学分析关键功能基因的表达。通过将宏观性能与微观机制相结合，本研究阐明了Fe(III)的剂量-响应行为，并追踪了从铁转化到微生物和基因调控的作用链。结果建立了一个全面的机制框架，以支持CANON过程的优化和工程应用。

实验系统设置和合成培养基

使用四个有机玻璃序贯批次反应器（SBRs）来研究Fe(III)对CANON启动的影响。每个反应器的有效体积为2.35 L，操作时换水比为50%。温度维持在32 ± 2°C。间歇性曝气（1小时开启，1小时关闭）使溶解氧（DO）浓度稳定在约0.4 mg/L（Zhang等人，2017年）。可编程逻辑控制器（PLC）自动化了24小时循环，包括5分钟的进料、23小时的反应时间、30分钟的沉淀时间和25分钟的休息时间。

外源Fe(III)浓度对CANON系统启动的影响

图1a-d总结了CANON启动阶段的氮转化和去除性能。在整个140天的启动期间，进水中的氮仅以NH₄⁺形式存在，浓度为268.48 ± 10.22 mg/L。虽然没有添加Fe(III)的反应器N1保持了稳定的部分硝化，但其他反应器中出水中的NO₂^--N和NH₄⁺-N同时减少，证实了在低DO条件下发生了厌氧氨氧化，突显了Fe(III)在建立该过程中的关键作用。

结论

本研究表明，在曝气条件下，外源Fe(III)通过一种整合的铁-氮耦合机制提升了CANON系统的性能。最佳剂量为5 mg/L的Fe(III)实现了快速启动（88天）和优异的氮去除效率（81.6%），而10 mg/L的剂量由于硝酸盐积累过多而抑制了系统性能。Fe(III)建立了一个连续的生物化学循环，其中铁的转化直接协调了多种氮代谢途径。

CRediT作者贡献声明

王洪宇：撰写 – 审稿与编辑、监督、资源获取、概念构思。刘涛泽：撰写 – 审稿与编辑、形式分析。郭文斌：撰写 – 原稿撰写、方法学设计、实验研究、形式分析、数据整理、概念构思。周道：撰写 – 审稿与编辑、数据可视化。苏俊峰：撰写 – 审稿与编辑、形式分析。左培东：撰写 – 审稿与编辑、数据可视化。周驰：撰写 – 审稿与编辑、数据可视化。

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。

致谢

本研究得到了国家自然科学基金（项目编号52170049、52370048）和湖北省科技创新计划重点研发项目（项目编号2023BCB102）的财政支持。