将微生物硫氧化还原过程与Feammox-UASB反应器中的氮循环和铁循环联系起来，以实现氮的同步去除

《Journal of Environmental Chemical Engineering》：Linking microbial sulfur redox to nitrogen and iron cycling in a feammox-UASB reactor for simultaneous nitrogen removal

　　

姜坤良|金卫东|宋宁宁|姚宗宝|宋娜

中国南京师范大学海洋科学与工程学院，海洋-陆地环境变化与生态建设江苏省重点实验室，南京210023

摘要

厌氧铁铵氧化（Feammox）是一种新兴的生物途径，通过将铵氧化为亚硝酸盐、硝酸盐或氮气来去除氮，其中铁离子作为最终电子受体。在这项研究中，在一个上流式厌氧污泥床（UASB）生物反应器中成功实现了Feammox过程，该反应器在厌氧条件下持续供应硝基三乙酸-Fe(III)复合物。结果表明，在300天的运行后，NH₄⁺通过Feammox途径有效氧化为NO₃^-，平均NH₄⁺氧化速率为85 mg N L^-1 d^-1。添加S^2-、SO₃^2-或S₂O₃^2-显著提高了系统的自养氮去除性能。定量PCR结果显示，与硫氧化还原和硝酸盐还原过程相关的功能基因丰度显著增加。高通量测序结合共现网络分析进一步表明，微生物介导的硫氧化还原作用增强了氮转化和铁转化。综上所述，这些发现为Feammox驱动的生物反应器的设计和管理提供了机制理解和操作策略，支持其在可持续废水处理中的未来应用。

引言

全球范围内合成肥料的广泛生产和应用引发了一系列生态问题，包括陆地和水生生态系统的富营养化（Schulte-Uebbing等人，2022年）。微生物驱动的氮转化过程已被应用于污水处理系统以去除水体中的氮。迄今为止，已知氨转化为氮气只有两条途径：首先在好氧条件下通过硝化细菌将铵（NH₄⁺氧化为硝酸盐（NO₃^-），然后在厌氧条件下通过反硝化细菌将NO₃^-还原为N₂ [52]。Anammox提供了另一种途径，即在厌氧条件下利用亚硝酸盐作为电子受体将氨转化为氮气（Pan & Liu，2023a）。厌氧铁铵氧化（Feammox）过程是一种公认的氮转化生化途径 [45]。在这种生物过程中，铵可以在厌氧条件下使用Fe³⁺作为电子受体被氧化为N₂、NO₂^-或NO₃^- [56]。

Feammox现象已在多种环境中被观察到，包括河流沉积物[52]、水稻土[11]和海洋[24]。除了研究Feammox在自然生态系统中的功能外，研究人员还尝试在活性污泥系统中富集Feammox过程以处理含氨废水[39]、[54]。在混合Feammox-Anammox反应器中，Feammox的氧化产物NO₂^-被Anammox还原为N₂ [27]、[54]。在厌氧微生物培养池中结合Feammox过程、硝酸盐依赖的Fe(II)氧化（NFO）和Anammox可以促进有效的氮去除[28]。尽管在不同的反应器中实现了Feammox的富集，并且首次分离和鉴定出了Feammox微生物（Acidimicrobiaceae细菌A6）[18]，但更多关于Feammox的研究将有助于我们了解其特性并将其应用于水净化技术[56]。

铁和硫之间的氧化还原耦合是自然生态系统中的常见生物地球化学过程。例如，在陆地环境中，还原态硫化合物的氧化可以作为电子供体，驱动Fe³⁺还原为Fe²⁺ [15]。研究表明，硫氧化还原反应介导了Fe(III)还原与厌氧铵氧化的耦合。具体来说，硫化物、单质硫、亚硫酸盐和多硫化物等硫化合物作为电子穿梭体，促进了硫循环和铁循环之间的耦合[3]。作为自养反硝化过程之一，基于硫的自养反硝化（SAD）也可以还原NO₃^- [25]。在厌氧条件下，铵可以通过硫酸盐还原铵氧化（SRAO）使用SO₄^2-作为电子受体被氧化[42]。此外，氧化还原电位（ORP）在硫循环对铁和氮转化的调节中起着关键作用。低ORP条件会导致铁硫化物（FeS）的沉淀，可能破坏生物膜完整性并抑制微生物活性。高ORP条件促进硫化物和亚铁离子的氧化，减少硫化物积累和铁沉淀。这为硝化细菌提供了有利的生长条件，从而提高硝化速率[49]。鉴于这些发现，探索硫氧化还原如何影响富含硫酸盐的Feammox系统中铁和氮转化的相互作用变得至关重要。

本研究有两个主要目标：（i）构建一个使用Fe(III)-硝基三乙酸（NTA）作为电子受体的扩展颗粒污泥床（UASB）生物反应器；（ii）评估硫循环对铁/氮转化和整体Feammox效率的影响。进行了一系列批次测试以表征生物氮转化过程。此外，还进行了短期批次和长期反应器实验，以追踪Feammox系统中还原态硫物种的命运和功能。还分析了Feammox生物量的微生物群落结构和功能基因丰度。总体而言，这项工作加深了我们对氮、铁和硫循环之间相互作用的理解。

章节片段

构建Feammox-UASB反应器

两个相同的Feammox-UASB反应器（UASB1和UASB2）的工作体积为3.0 L，由甲基丙烯酸甲酯制成。它们接种了来自中国南京某市政污水处理厂的厌氧颗粒污泥。为了保持厌氧条件，反应器用黑色布料包裹以防止光合产氧。合成废水由(NH₄)₂SO₄作为铵源，以及NaHCO₃（1.5 g L^-1）、CaCl?·2H?O（0.18 g L^-1）和MgSO?·7H?O（0.12 g L^-1组成

Feammox-UASB反应器的性能

为了模拟实际废水处理过程中可能出现的氨氮浓度和HRT的变化，将HRT分为三个阶段：12小时、8小时和6小时。在UASB1的第一阶段（第1-110天，12小时HRT）中，出水NH₄⁺浓度稳步下降，而出水NO₃^-浓度呈相反趋势。为了保持反应器活性并提高系统性能，进水NH₄⁺浓度增加到35 mg/L（图1）。因此，NH₄⁺的去除率和NO₃^-的积累量

结论

在这项研究中，NH₄⁺通过Feammox途径在生物反应器中有效氧化为NO₃^-。添加S^2-、SO₃^2-或S₂O₃^2-进一步提高了Feammox过程的自养氮去除性能。硫化合物增强了生物反应器中的氮转化和铁转化。微生物介导的硫氧化还原作用增强了氮转化和铁转化。这些结果为开发和

CRediT作者贡献声明

姜坤良：撰写——初稿。宋宁宁：数据整理。金卫东：概念构思。宋娜：撰写——审阅与编辑。姚宗宝：方法学、研究。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能会影响本文报告工作的竞争性财务利益或个人关系。

致谢

本研究得到了国家自然科学基金（42377258）的支持。