研究报告：还原性铁锰联合投加对微污染水库水体好氧反硝化的协同增强作用：微生物群落动态与机制解析

作者与发表信息

本研究由新疆大学土木工程与建筑学院的Wanying Xie、Hongxin Zhao、Shangye Yang（通讯作者）、Wenxin Yang、Xinran Li、Lijie Song、Qi Hu、Huijuan Wang，以及英国萨里大学的Lu Yin等人合作完成。研究成果发表于期刊《Biochemical Engineering Journal》（2026年第235卷，文章编号110328），并于2026年7月22日在线发表。

研究背景与目的

随着工业化和农业集约化发展，作为饮用水水源的湖库面临着日益严峻的氮污染问题，特别是硝酸盐氮（NO₃⁻-N）的过量累积会导致水体富营养化、藻华爆发，甚至引发高铁血红蛋白血症等健康风险。传统的生物脱氮技术中，反硝化过程通常在厌氧或缺氧条件下进行，但在自然水体中维持严格缺氧环境较为困难，且对于低碳氮比（C/N比）的微污染水体，外加碳源会增加二次污染的风险。好氧反硝化技术的发现为解决这一难题提供了新方向，该技术容许反硝化菌在有氧条件下将硝酸盐还原为氮气（N₂）。

然而，水库中多数土著好氧反硝化菌为异养型，依赖有机碳源作为电子供体。针对低碳氮比水体的瓶颈，利用零价铁（zero-valent iron, ZVI）和零价锰（zero-valent manganese, ZVMn）等无机电子供体，被认为能够促进反硝化菌从异养向自养或兼养模式转变。尽管单一金属投加已被证实有效，但铁锰在自然水体中常共存，其联合投加对土著微生物反硝化的影响、特别是两者间的电子传递、竞争或互补机制尚不清楚。基于此，本研究系统性地探究了还原性ZVI和ZVMn联合投加，增强土著微生物驱动好氧反硝化的协同机理，并评估了残留金属浓度，旨在为低碳氮比饮用水源水库的治理提供理论依据和实践策略。

详细研究流程

本研究为批次实验，共设置了六个反应器。实验以乌鲁木齐某水库的微污染原水（CODMn/TN比约为1.66，属于低C/N比水体）和底泥为处理对象。

1. 实验分组与运行：研究设立了一个对照组（C0，不投加任何金属）和五个实验组。实验组按零价铁与零价锰粉末（纯度均超99%）的总投加量约为70克，但质量比不同来划分，分别是CFM1（mFe: mMn=1:0）、CFM2（2:1）、CFM3（1:1）、CFM4（1:2）和CFM5（0:1）。铁锰粉末被封装于茶袋、聚氨酯泡沫海绵填料和聚丙烯塑料球中，放置于不锈钢网篮内。反应器包含28升原水和2升底泥，通过气泵持续曝气维持溶解氧在7.0-9.0 mg/L的好氧条件，水温20.0-23.3摄氏度，运行周期为36天。利用水循环泵促进微生物与污染物的传质，附着于聚氨酯海绵上的微生物被称为“膜组”。
2. 理化指标监测：实验每两天测定一次多种理化指标，包括水温（WT）、溶解氧（DO）、pH值、含氮化合物（TN、NO₃⁻-N、NO₂⁻-N、NH₄⁺-N）、总磷（TP）、高锰酸盐指数（CODMn）以及铁、锰离子浓度，以实时监测净化效果和金属残留风险。
3. 微生物及表面物质分析：
   • 膜样采集：每两天采集反应器内的聚氨酯海绵，用无菌超纯水超声处理以分散生物膜，用于后续微生物群落分析。
   • 表面物质表征：实验前后，使用扫描电子显微镜（SEM）观察铁锰表面微观形貌，并用X射线光电子能谱（XPS）分析其价态变化。
   • 16S rRNA高通量测序：收集实验前后的水样和膜样，提取总DNA，利用引物338F和806R对16S rRNA基因的V3–V4高变区进行PCR扩增，随后在Illumina-MiSeq平台上进行高通量测序，以解析微生物群落结构组成、多样性和演替规律。
4. 功能预测与数据挖掘：
   • 潜在功能预测：利用PICRUSt2软件，基于16S rRNA测序得到的OTU（Operational Taxonomic Unit）丰度，对细菌群落的KEGG功能通路和关键酶进行预测，重点关注氮循环、碳循环和铁/锰循环相关的功能酶和基因。
   • 数据整合与网络分析：运用Origin Pro、R语言“psych”包、Gephi等软件进行统计分析和可视化，构建菌属水平的共现网络，探究关键功能性菌属间的互作关系；并通过Avantage软件对XPS数据进行分析。

主要研究结果及其逻辑递进

1. 脱氮性能与效率：实验结果表明，联合投加铁锰能显著促进脱氮。在第36天结束时，CFM3组（铁锰质量比1:1）表现出最高的总氮（TN）去除率，达87.5±0.4%，远超对照组C0的42.7±0.3%。该组硝酸盐氮（NO₃⁻-N）去除效率也高达91.4±1.3%。研究同时观察到一个重要的中间产物积累现象：亚硝酸盐氮（NO₂⁻-N）和氨氮（NH₄⁺-N）在反应初期（前10天）出现短暂累积，尤其是CFM2和CFM4组，其峰值浓度和累积模式更为突出。这一现象说明铁和锰通过不同途径影响了反硝化路径：锰在早期可能驱动硝酸盐向氨氮的化学转化，而铁则通过促进表达硝酸盐还原酶基因（napA）来加速硝酸盐向亚硝酸盐的转化，两者作用的速率差导致了特定中间产物的暂时积累。这为后续解释铁锰协同作用提供了关键的动力学证据。

2. 铁锰的协同角色与价态变化：总铁浓度在整个过程中保持稳定于接近0 mg/L的水平，归因于其在弱碱性条件下快速沉淀；而总锰浓度则呈现先升后降的趋势，初期溶解产生的Mn²⁺累积与初期NH₄⁺-N累积时段相吻合，证实了锰在早期促进了硝酸盐转化。XPS分析为揭示协同机制提供了核心理化证据。CFM3组表现出高度协同的价态分布：锰主要以高价态（Mn³⁺占42.94%，Mn⁴⁺占37.04%）存在，充当了高效的电子储存库；而铁则维持了合理的价态平衡（Fe²⁺占65.38%，Fe³⁺占34.62%），确保了电子供应的持续性。这一结果清晰地描绘了一个“铁-锰氧化还原循环”闭合回路：锰进行从低价到高价的定向转化以接受电子，铁则完成电子传递闭环，完美匹配了好氧反硝化的电子需求。

3. 有机物与总磷的同步去除：添加铁锰同样提升了总磷（TP）和有机物（以CODMn表征）的去除效率。在CFM3组，TP去除率接近100%，CODMn去除率较对照组提升了39.2±0.1%。这归结于铁的沉淀除磷作用以及铁锰催化、介导氧化还原反应，将大分子有机物分解为小分子可被异养菌利用的碳源。

4. 微生物群落结构的适应性响应：

   • 群落多样性与结构：16S rRNA测序分析显示，与对照组相比，CFM3组的物种多样性最优，表明铁锰（1:1）配比施加了选择性富集压力，而非简单地增加丰度。
   • 关键菌属的富集：属水平分析揭示了功能菌群的成功筛选和富集。水相和膜相中均显著富集了氢自养反硝化菌（如Hydrogenophaga）和有机物降解自养反硝化菌（如Sphingobium）。更为关键的是，铁锰自养反硝化菌Arenimonas、Rhodococcus、Deinococcus和Pedomicrobium成为了新富集的优势菌属。这一发现是该研究的核心生物机制证据，直接证明了目标菌群的定向培育成功。
   • 水相与膜相群落差异：研究发现，膜组（附着于载体的微生物）和水组（水体中悬浮的微生物）的群落结构存在显著分化。膜组中，Pedomicrobium等菌属成为绝对优势，其可能通过分泌胞外聚合物（EPS）形成“微生物-矿物复合体”，构建高效电子传递和底物富集的微域。这解释了为何膜载体在强化脱氮中尤为重要。

5. 网络关系与功能基因的协同增强：

   • 共现网络分析：分子生态网络分析显示，膜组的节点和连接边数多于水组，平均路径长度更短，表明载体环境形成了更复杂、高效的物质和信息传递网络。Pedomicrobium和Arenimonas等关键菌属在网络中作为大型节点，与其它细菌连接紧密，进一步证实了它们在增强系统脱氮效率中的核心地位。
   • 功能酶与基因预测：PICRUSt2功能预测结果与表观理化指标和群落变化高度一致。结果显示，好氧反硝化过程的关键酶，如亚硝酸还原酶（EC 1.7.1.15）、一氧化氮还原酶（EC 1.7.2.5），以及与铁/锰氧化相关的KEGG直系同源物（如K02015、K04758和K11604，负责Fe²⁺至Fe³⁺和Mn²⁺至Mn³⁺/Mn⁴⁺的转化）的编码基因，在CFM3组中的预测丰度均达到最优水平，最高增幅可达3.75倍。这从遗传潜力层面强有力地支撑了CFM3组取得最佳脱氮效果的现象。

研究结论与价值

本研究证实，在36天的处理中，以1:1的质量比（总计70克）联合投加零价铁和零价锰，可使微污染水库水体的总氮、高锰酸盐指数和总磷去除率，分别较对照组提高44.7%、39.2%和20.6%。研究成功筛选并富集了以*Pedomicrobium*、*Arenimonas*等为代表的六种新型优势脱氮菌，它们通过参与铁锰氧化还原循环和降解大分子有机物，协同加速了好氧反硝化进程。从酶学和基因层面证实了关键反硝化酶和金属氧化相关基因丰度的显著提升是性能增强的内在功能基础。

本研究的科学价值在于，它不仅揭示了还原性铁锰协同促进低C/N比水体好氧反硝化的微生物群落动态、网络互作和代谢途径，还首次系统阐明了铁锰协同加速电子传递的“氧化还原循环”机制。在应用层面，该研究为低碳氮比饮用水源水库的原位生物修复提供了一种不使用有机碳源、低成本且高效的创新策略，并指出了基于膜载体富集功能菌群的工艺强化方向，具有重要的工程指导意义。

研究亮点与创新性

本研究的亮点与创新性主要体现在以下三点： 1. 从单一到协同的范式创新：研究聚焦于铁和锰的联合效应而非单一金属的作用，填补了其互作如何塑造土著好氧反硝化菌群落及功能的认知空白。 2. 机制解析的系统性：研究构建了从宏观脱氮性能→理化协同机制（XPS价态分析）→微生物群落响应（16S rRNA测序+分子网络）→微观功能基础（酶与基因预测）的完整证据链，特别是对膜相与水相群落功能的差异解析，深化了对载体在生物膜形成、EPS作用和金属离子富集中作用的理解。 3. 发现关键功能性新菌属：明确鉴定并报道了Pedomicrobium 等作为铁锰系统中新兴优势脱氮菌属，其特殊的“微生物-矿物复合体”形成能力，为后续开发高效生物脱氮菌剂提供了新资源。同时，研究也坦诚指出了PICRUSt2功能预测的局限性，并建议未来通过宏基因组鸟枪法测序进行验证，体现了严谨的科学态度。