钇(III)对离子型稀土浸出液通过厌氧氨氧化（anammox）过程去除氮的长期影响：性能、微生物群落及关键功能基因

《Biochemical Engineering Journal》：Long-term effect of yttrium(III) on nitrogen removal from ionic rare-earth leachate through anammox process: Performance, microbial community and key functional genes

稀土淋滤液脱氮中厌氧氨氧化（Anammox）过程受Y(III)抑制，长期暴露于5 mg/L Y(III)导致Candidatus Brocadia相对丰度下降3.06%，Candidatus Jettenia下降24.45%，anammox基因hzsA/B/C丰度下降8.06%，而反硝化相关基因nirK/S、norB、nosZ丰度上升，Y(III)可能通过促进反硝化作用间接影响系统，PN/PS比值显著升高（p<0.05），表明微生物通过分泌胞外聚合物增强污泥聚集能力以抵抗毒性。

　　

叶宇|夏旭欣|刘雪梅|胡京刚|方云|王国伟|车阮|肖春桥

教育部绿色化学工艺重点实验室，长江中游生物源元素微生物转化与调控湖北重点实验室，武汉工业大学环境生态与生物工程学院，中国武汉430205

摘要

厌氧氨氧化（anammox）工艺在离子型稀土浸出液中的氮去除应用受到废水中镱(III)（Y(III)）存在的阻碍。本研究从性能、微生物群落和关键功能基因的角度，探讨了Y(III)对厌氧氨氧化工艺的长期影响。长期暴露于5 mg/L的Y(III)下，反应器的氮去除效率受到抑制。Candidatus Brocadia和Candidatus Jettenia的相对丰度分别下降了3.06%和24.45%；厌氧氨氧化相关基因(hzsA/B/C)的相对丰度下降了8.06%，表明Y(III)对厌氧氨氧化工艺具有负面影响。反硝化细菌及反硝化基因(nirK/S, norB, nosZ)的相对丰度增加，这可能意味着Y(III)促进了反硝化作用。多糖（PS）可能作为反硝化细菌的有机碳来源。当Y(III)浓度升高至20 mg/L时，总氮去除效率显著降低（p<0.001），蛋白质（PN）浓度显著增加（p<0.01）。微生物可能分泌更多EPS以抵抗Y(III)的毒性。PN/PS比值的显著增加（p<0.05）表明Y(III)可能增强了厌氧氨氧化颗粒污泥的聚集能力。本研究为通过厌氧氨氧化工艺去除离子型稀土浸出液中的NH₄⁺-N提供了新的见解。

引言

对稀土元素的巨大市场需求推动了稀土采矿的繁荣[1],[2]。作为一种广泛应用于稀土采矿的提取技术，铵盐原位化学浸出法可以从离子吸附的稀土矿物中提取稀土元素。然而，废弃矿山中的残留铵盐会通过雨水迁移形成含有高浓度氨氮（NH₄⁺-N）和稀土元素的离子型稀土浸出液[3],[4]。在中国江西省赣州市龙南县的一个离子型稀土采矿区采集的浸出液样本中，检测到的NH₄⁺-N浓度范围为16.10 mg/L至984.35 mg/L。如果不对这些浸出液进行妥善处理，将严重危害环境甚至居民健康[5]。因此，寻找一种可持续且有效的离子型稀土浸出液处理方法至关重要。

从离子型稀土浸出液中去除NH₄⁺-N和NO₃-N比其他污染物更为紧迫[4]。微生物处理工艺已被广泛用于氨氮废水的修复[6]。传统的硝化-反硝化工艺在氮去除方面效率较高，但其应用受到高能耗和温室气体排放的限制[7],[8]。鉴于全球能源危机和对可持续性的日益重视，克服废水处理技术的瓶颈以降低能耗和减少二次污染对于推进和创新废水处理工艺至关重要[9]。

厌氧氨氧化（anammox）工艺因其高去除效率和低能耗而被认为是未来废水处理中最经济、最可持续的工艺[10],[11]。该工艺在厌氧条件下将NH₄⁺-N和NO₂^--N转化为N₂和NO₃^--N[12]。这一工艺可将有机碳需求降低100%，氧气需求降低60%，污泥产量减少90%[13]。目前，厌氧氨氧化工艺已应用于市政废水、制药废水和填埋场渗滤液的处理，并在超过100个全规模项目中成功实施，用于高强度废水处理[14],[15]。一种耐温的厌氧氨氧化工艺在10.6℃下实现了92.5%的氮去除效率[16]。然而，由于厌氧氨氧化细菌（AnAOB）生长缓慢且对外部环境因素（如重金属）敏感[17],[18]，该工艺的实际应用受到限制。明确典型物质对厌氧氨氧化工艺的影响对于提升氮去除效率和推广该技术应用至关重要[19]。

稀土元素（REEs）包括15种镧系元素、钪和镱，它们可能是离子型稀土浸出液中的有害污染物[20]。稀土元素对生物体的影响表现为低剂量下的刺激作用和高剂量下的抑制作用[21]。先前的研究表明，不同稀土元素对厌氧氨氧化活性的毒性阈值各不相同[22],[23],[24]。因此，研究稀土元素对厌氧氨氧化的影响对于其在离子型稀土浸出液中的应用至关重要。镱(III)（Y(III)）是离子型稀土浸出液中常见的稀土元素之一[25]。不同研究中报道的矿山废水中Y(III)浓度差异较大，Hu等人报告的浓度为8.1 mg/L[26]，Zhang等人报告的浓度为35.67 mg/L[27]。摇瓶实验表明Y(III)的半抑制浓度（IC₅₀）为30.36 mg/L[28]。然而，关于Y(III)对厌氧氨氧化工艺的长期影响的研究较少。

基于此，本研究在不同的Y(III)进水浓度（0、5和20 mg/L）下进行了实验，旨在探讨Y(III)对厌氧氨氧化工艺的长期影响，确定Y(III)对厌氧氨氧化颗粒污泥特性的影响，并研究不同Y(III)浓度下微生物群落和功能基因的演变，从而为离子型稀土浸出液中厌氧氨氧化工艺的工程应用提供技术和理论基础。

实验部分

厌氧氨氧化生物反应器、合成废水及反应器操作

关于Y(III)长期影响的实验是在一个有效容积为10 L的扩展颗粒污泥反应床（EGSB）厌氧氨氧化生物反应器中进行的，如图S1所示。反应器外表面覆盖有耐光绝缘泡沫。实验使用的厌氧氨氧化颗粒污泥已在实验室中使用了一段时间。进水为从以往研究中提取的氨废水[29]，具体细节...

Y(III)胁迫下反应器的氮去除性能

图1显示了Y(III)对厌氧氨氧化反应器氮去除性能的影响。在CK条件下，反应器的ANR、NR和NRE分别保持在95.13%、98.70%和83.56%（图1A-C）。氮负荷率（NLR）达到1.42 kg/m³·d，氮去除率（NRR）达到1.18 kg/m³·d（图1D）。此外，化学计量比（Rs, Rp）分别为1.25和0.31，接近厌氧氨氧化反应的理论值（Rs=1.32）...

结论

长期暴露于5 mg/L的Y(III)下，反应器的氮去除效率受到抑制。Candidatus Brocadia和Candidatus Jettenia的相对丰度分别下降了3.06%和24.45%；厌氧氨氧化相关基因(hzsA/B/C)的相对丰度下降了8.06%，表明Y(III)对厌氧氨氧化工艺具有负面影响。反硝化细菌及反硝化基因(nirK/S, norB, nosZ)的相对丰度增加，这可能意味着Y(III)促进了反硝化作用...

作者贡献声明

肖春桥：撰写——审稿与编辑、研究、概念构思。 车阮：监督、项目管理、资金获取。 王国伟：方法学、研究。 方云：数据可视化、软件处理。 胡京刚：方法学、数据分析。 刘雪梅：方法学、研究。 夏旭欣：验证、方法学、研究。 叶宇：撰写——初稿、研究、数据管理。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能会影响本文研究的财务利益或个人关系。

致谢

本研究得到了《中国关键技术研究与发展计划》（2018YFC1801802）的支持。