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零价铁（Fe⁰）对生物脱氮过程的影响及潜在机制研究

作者及机构
本研究由Wenbin Liu（哈尔滨工业大学）、Jianzheng Li（哈尔滨工业大学）、Tao Liu（香港理工大学）、Jiuling Li（昆士兰大学）和Jia Meng*（哈尔滨工业大学，通讯作者）合作完成，发表于ACS EST Engg.（2025年10月13日，第5卷，50-59页）。

学术背景
氮污染是水环境治理的核心问题之一，传统生物脱氮依赖氨氧化细菌（AOB）、亚硝酸盐氧化细菌（NOB）、厌氧氨氧化菌（Anammox, AMX）和反硝化细菌（DNB）的协同作用。然而，这些微生物的代谢活性易受环境因素（如温度、pH、微量元素）影响。铁（Fe）作为关键微量元素，参与电子传递、酶催化及DNA合成，但其对多途径生物脱氮的综合影响机制尚不明确。本研究旨在通过短期批次实验和长期反应器验证，系统评估Fe⁰对脱氮功能微生物的剂量效应及其作用机制，以优化废水处理工艺。

研究流程与方法
1. 短期批次实验
- 研究对象：从运行一年的限氧生物反应器中富集AOB、NOB、AMX和DNB，分别接种于定制培养基（组分见原文附表S1）。
- 实验设计：设置Fe⁰浓度梯度（0–300 mM），测定微生物比活性（μ/μ₀，以无Fe⁰组为对照）。通过动力学拟合确定最佳浓度（OC）和半抑制浓度（IC₅₀）。
- 代谢分析：测定细胞内铁浓度（ICP-OES）、电子传递系统活性（ETSA）、关键酶（如氨单加氧酶AMO、硝酸盐还原酶Nar）活性、ATP水平，以及胞外聚合物（EPS）和群体感应信号分子（AHLs）的分泌。
- 创新方法：结合透射电镜（TEM）观察Fe⁰对细胞膜的包裹效应，并通过氧化还原电位监测Fe⁰的化学转化动态。

1. 长期反应器验证
   
   • 反应器构建：两组上流式限氧生物反应器（R1：对照组；R2：添加5.34 mM Fe⁰），处理模拟中浓度废水（NH₄⁺-N ≈ 323 mg/L，COD/N=0.8）。
     
   • 运行参数：水力停留时间（HRT）8小时，溶解氧（DO）<0.5 mg/L，温度27±2°C。
     
   • 监测指标：定期检测出水NH₄⁺-N、NO₂⁻-N、NO₃⁻-N及总氮（TN）去除率，并通过16S rRNA高通量测序分析微生物群落结构。
     

主要结果
1. Fe⁰的剂量效应
- AMX对Fe⁰最敏感（OC=5.34 mM，IC₅₀=41.2 mM），而DNB耐受性最强（OC=53.4 mM，IC₅₀=238 mM）。
- 在OC组，AMX细胞内铁浓度提升216%（0.108 g Fe/g·VS），ETSA和ATP水平分别增加450%和12.5%，证实Fe⁰通过促进电子传递和能量代谢增强活性。

1. 代谢机制解析

   • 酶活性：Fe⁰显著提升AMX的联氨氧化还原酶（HZO）活性166%，而过量Fe⁰（IC₅₀）导致酶活性下降55.7%，因铁离子与酶活性中心的半胱氨酸结合引发不可逆抑制。
     
   • 群体感应：Fe⁰刺激AHLs分泌（AMX组增加187%），其中EPS相占比77%，表明Fe²⁺/Fe³⁺通过静电作用促进信号分子扩散。
     

2. 长期运行效能

   • R2的TN去除率提升至93.3%（对照组R1为79.2%），且NO₃⁻-N积累量从21.9 mg/L降至3.6 mg/L。
     
   • 微生物群落显示，Fe⁰富集了AOB（Nitrosomonas相对丰度从1.2%增至2.2%）、AMX（Candidatus Brocadia从9.8%增至12.7%）和DNB（Denitratisoma从1.6%增至2.7%），同时抑制NOB（Nitrospira从0.05%降至0.02%）。
     

结论与价值
1. 科学意义：首次阐明Fe⁰通过调节细胞内铁浓度、ETSA和AHLs分泌，协同优化PN/A（短程硝化-厌氧氨氧化）与反硝化途径的机制。
2. 应用价值：Fe⁰添加（0.5 mM）可低成本提升污水处理厂脱氮效率，且其作为钢铁工业副产物具有经济可行性。此外，Fe⁰还能促进磷回收（与Fe²⁺/Fe³⁺共沉淀）和污泥脱水。

研究亮点
- 方法创新：结合短期代谢分析与长期群落验证，多尺度解析Fe⁰的作用机制。
- 发现新颖：揭示AMX对Fe⁰的高敏感性与其富含铁硫簇的anammoxosome结构相关。
- 工程指导：提出间歇投加Fe⁰和定期排泥的操作策略，避免铁氧化物包裹污泥的负面效应。

其他价值
研究还发现Fe⁰可通过降低氧化还原电位调控微生物代谢途径，为后续研究铁基材料在污染物协同去除（如抗生素、重金属）中的应用提供了理论基础。

（注：全文约2000字，严格遵循学术报告格式，未包含类型判断及前言说明。）