锰催化体系中的能效提升与代谢网络分析：环保型反硝化作用

《Bioresource Technology Reports》：Energy efficiency enhancement and metabolic network analysis in manganese-mediated systems: Eco-friendly denitrification

　　

陶翔|樊宗燕|萨尔玛·塔巴斯姆

沈阳建筑大学市政与环境工程学院，中国沈阳 110000

摘要

本研究开发了一种过程优化和螯合增强策略，用于通过氧化锰介导的铵氧化-硝酸盐/亚硝酸盐-锰氧化还原（Mnammox-NDMO）工艺，以解决传统生物氮去除方法能耗高、依赖碳源以及工艺复杂性的问题。采用响应面方法优化了关键操作参数，最终确定参数为：温度28℃、pH 7.5和铵浓度30 mg/L。在这些条件下，22小时内总氮（TN）和铵氮（NH??-N）的去除效率分别达到65.1%和76.5%。加入10 mg/L的柠檬酸螯合锰（CACM）后，功能性微生物群落的代谢活动显著增强，22小时内的NH??-N和TN去除效率分别提高到93.7%和83.2%。宏基因组分析显示，CACM上调了细胞外电子转移和锰转运相关基因，从而加强了电子传递链，并通过Mnammox与硝化和反硝化的协同作用形成了多途径氮去除体系。本研究为低碳氮比废水的处理提供了低能耗和环保的技术支持。

引言

传统的生物氮去除主要依赖于硝化和反硝化过程。然而，这些方法存在与国家绿色可持续发展战略要求不符的缺点，如需大量曝气能量、消耗大量碳源、产生大量污泥以及温室气体排放量较高（Ren等人，2022年）。厌氧铵氧化（anammox）是一种由厌氧铵氧化菌（AnAOB）介导的生物氮去除过程。在厌氧条件下，该过程可以直接将铵氮（NH??-N）和亚硝酸盐氮（NO??-N）转化为氮气（Ren等人，2022年）。与传统生物氮去除方法相比，anammox具有显著优势：无需碳源、曝气需求降低60%、污泥产量减少90%，且温室气体排放大幅减少。由于实际废水中缺乏NO??-N，因此开发了部分硝化-厌氧铵氧化（PN/A）和部分反硝化-厌氧铵氧化（PD/A）等基于anammox的工艺，为AnAOB提供电子受体NO??-N，从而实现NH??-N的氧化。然而，在处理低氨废水（如市政废水）时，PN/A工艺容易受到亚硝酸盐氧化菌（NOB）的干扰；而PD/A工艺则需要充足的碳源和硝酸盐氮（NO??-N），且反硝化菌会与AnAOB竞争底物（Sheng等人，2020年）。这些工艺在低氨废水处理中面临挑战，尤其是在维持稳定的NO??-N供应方面。因此，研究新型电子受体以替代NO??-N、规避这些问题并确保更稳定的NH??-N氧化过程是推进自养氮去除的创新途径。

近年来，金属氧化物介导的氮循环现象引起了全球研究人员的广泛关注（Desireddy和Pothanamkandathil Chacko，2021年）。研究人员发现该现象不仅发生在废水处理系统中，也存在于自然环境中，如稻田、湿地、河岸带土壤和海洋沉积物中（Ding等人，2019年；Huang等人，2016年；Li等人，2018年；Sawayama，2006年）。基于此现象，研究人员提出了铁介导的铵氧化（Feammox）概念。Fe(III)的还原作用将NH??-N氧化为NO??-N和NO??-N，随后NDFO过程完成整个循环：Fe(II)被氧化，同时NO??-N和NO??-N被还原为氮气（Ding等人，2019年）。然而，Feammox-NDFO工艺仍存在不足，例如Fe2?/Fe3?循环效率低和氮去除效果不佳。锰氧化物是水处理中常用的化合物，其等电点较低，在微生物代谢中的利用效率是铁基化合物的5-6倍（Chen等人，2020年）。理论上，锰介导的氮循环更为优越。

锰氨氧化（Mnammox）和硝酸盐/亚硝酸盐-锰氧化还原（NDMO）是锰介导的氮循环的两个阶段，与Feammox-NDFO类似。首先，锰还原菌（MnRB）催化NH??氧化为NO??/NO??，然后利用Mn(IV)作为细胞外电子受体将Mn(IV)还原为Mn(II)；随后，锰氧化菌（MnOB）以Mn(II)为细胞外电子供体，将硝酸盐/亚硝酸盐还原为氮气，同时实现Mn(II)的氧化再生（Cheng等人，2022年）。

然而，关于Mnammox-NDMO在水处理系统中的研究仍处于起步阶段。当前研究存在三个关键缺陷：(i) 大多数研究仅关注单一环境因素，而温度、pH值和底物浓度对Mnammox-NDMO的相互作用尚未得到系统优化；(ii) 螯合剂的增强效果已知，但其对微生物代谢途径的分子调控机制尚不清楚；(iii) Mnammox-NDMO与anammox/硝化-反硝化之间的协同作用缺乏功能基因证据。与现有研究相比，本研究的创新之处在于：通过宏基因组分析揭示了柠檬酸螯合锰（CACM）在增强电子传递和锰转运方面的分子机制；同时验证了Mnammox-NDMO-Anammox的多途径协同氮去除网络。近年来，外源螯合剂（如腐殖酸、柠檬酸）的引入为提高锰的生物利用度提供了新见解。腐殖酸-Mn复合物（Mn-HA）可通过络合作用增加Mn(IV)的溶解度，并为微生物提供电子 Shuttle，使总无机氮（TIN）去除率提高3.56倍（Liu等人，2023年）。作为天然有机酸，柠檬酸通过螯合作用提高Mn(II)的生物利用度，从而促进锰氧化菌（MnOB）的代谢活性，同时恢复其氧化还原电子传递通道，增强氮去除和锰氧化还原循环的协同效应。然而，柠檬酸螯合锰（CACM）在Mnammox微生物群落代谢途径中的分子调控机制仍不明确。环境因素会对Mnammox-NDMO的性能产生显著影响，例如pH值通过改变细胞外聚合物物质（EPS）的絮凝效率和比表面积（GSSA）影响锰的吸附能力（Liu等人，2023年）；温度直接影响功能性微生物群的主要酶活性，进而影响氮去除效率。多种因素的综合效应尚未得到充分理解，锰介导的氮循环过程的微生物机制仍有待进一步阐明。本研究通过响应面方法（RSM）系统分析了环境因素（pH值、温度和NH??-N浓度）对氮去除性能的影响，旨在优化工艺操作的最佳环境条件。此外，本研究还通过引入柠檬酸螯合锰（CACM）并结合宏基因组测序与代谢途径分析，探讨了螯合效应对功能性微生物群落代谢重塑的影响，揭示了Mnammox-NDMO增强氮去除效率的微生物机制。

节片

反应器配置

图1展示了序贯批实验的实验设置。所有实验均在250 mL的厌氧瓶中以130 rpm的速度进行（见图2）。

Mnammox工艺设计优化

本研究采用响应面方法（RSM）和序贯批反应器（如2.1节所述），使用实验室驯化的污泥作为接种剂来优化Mnammox工艺条件。实验前对污泥进行洗涤，以减少内源性无机氮的干扰。

氮去除效率随时间的变化

实验结果显示，NH??-N和TN的总去除效率最初迅速上升，随后逐渐稳定。在实验初期（0-2小时），铵氮（NH??-N）和总氮（TN）的去除效率均显著增加，且两者数值趋同。推测这一阶段的氮去除机制主要依赖于吸附作用。这种现象可能是因为NH??-N在此过程中的富集

结论

本研究通过响应面方法优化了锰介导的氮去除工艺，确定了最佳操作参数：温度28℃、pH 7.5和铵浓度30 mg/L，12小时内实现72.9%的铵氮去除率（ANRE）和61.7%的总氮去除率（TNRE）。加入10 mg·L?1的CACM后，22小时内的ANRE和TNRE分别提高到93.7%和83.2%，显著优于对照组（ANRE：74.5%；TNRE：65.1%），同时显著增强了Hyphomicrobium（锰氧化菌）的代谢活性

CRediT作者贡献声明

陶翔：撰写 – 审稿与编辑、初稿撰写、验证、监督、项目管理、资金获取、概念设计。樊宗燕：初稿撰写、软件使用、资源提供、方法论设计、实验研究、数据分析、数据整理。萨尔玛·塔巴斯姆：撰写 – 审稿与编辑、初稿撰写、验证、监督、实验研究。

利益冲突声明

作者声明没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文的研究结果。

致谢

作者感谢沈阳建筑大学市政与环境工程学院提供的研究设施。本研究得到了辽宁省创新研究团队（University-LNIRT）的支持。塔巴斯姆博士还感谢萨卡里亚大学的化学系。