不同影响的驱动因素：基于Bewley模型的经合组织能源与贸易动态分析

《Journal of Environmental Radioactivity》：Unequal footprint drivers: A pooled Bewley approach to energy and trade dynamics in OECD

本研究采用蒽醌-2-磺酸（AQS）克服零价铁脱氮过程中污泥表面钝化问题。实验表明，添加100 mg/L AQS可使脱氮效率提升至87.94%，且通过释放铁离子、促进EPS分泌及调控微生物群落，有效缓解钝化。该策略为低碳氮比废水处理提供了环境友好新方法。

　　本研究聚焦于一种基于蒽醌-2-磺酸（AQS）的周期性开/关策略，旨在解决零价铁（ZVI）基脱氮工艺在长期运行中导致的污泥表面钝化问题。在当前的污水处理技术中，硝酸盐污染是全球水体质量面临的重要挑战之一，对水生生态系统和人类活动产生了深远影响。尤其在处理低碳氮比（C/N）废水时，传统异养脱氮工艺通常需要额外添加有机碳源，这不仅增加了经济成本，还导致了大量温室气体的排放，与碳中和目标相悖。相比之下，自养脱氮工艺利用无机电子供体（如氢气、硫化物、铁基材料）进行硝酸盐还原，能够有效解决低C/N废水处理中的碳源不足问题，同时更环保。

零价铁因其来源广泛、安全性高、无毒等特性，在无机材料中备受关注。其高密度特性有效防止了污泥浮起问题。研究表明，零价铁能够增强微生物活性，并与脱氮过程相结合，促进自养和异养微生物的生长，从而提高脱氮效率。在处理低C/N废水时，零价铁作为电子供体，可以弥补异养脱氮过程中有机碳的不足，同时与自养脱氮菌（ADB）协同作用，通过非生物和生物途径共同降低硝酸盐浓度。在此过程中，零价铁的氧化会生成亚铁（Fe(II))和高铁（Fe(III))，促进关键代谢酶（硝酸盐还原酶、硝酸盐还原酶、一氧化氮还原酶、亚硝酸盐还原酶）以及含铁血红蛋白的合成，这些酶和物质对脱氮过程至关重要。此外，零价铁还诱导了多种氮去除途径，包括硝酸盐依赖的厌氧亚铁氧化（NAFO）和反硝化作用还原为铵（DNRA）。

然而，在铁基脱氮系统中，铁氧化物和氢氧化物（如Fe?O?、Fe?O?、Fe(OH)?）以及氧化铁氢氧化物（FeOOH）容易形成，这些铁沉积物会包裹污泥，形成一个不透气的“铁壳”，阻碍物质传递，限制营养和电子的传输，导致细胞应激，从而抑制脱氮基因（如norB和norC）的表达，最终使污泥失活，影响氮去除效率。为了防止细胞结壳，已有研究提出使用Fe(III)与人工螯合剂的络合来维持微生物活性，利用天然铁矿作为核心位点缓解细胞结壳问题，以及添加有机碳源以刺激胞外聚合物（EPS）的分泌，从而促进铁腐蚀并减轻铁氧化物的抑制作用。然而，这些方法通常会增加温室气体排放和运行成本，且超声清洗难以控制，成本高，铁壳易复发。

因此，解决ZVI基脱氮系统中由铁离子钝化引起的污泥结壳问题成为关键。开发一种高效、稳定、经济且环保的方法，以分解铁壳、增强铁离子循环并释放铁离子反馈至脱氮过程，成为重要的研究方向。在生物地球化学循环中，腐殖质（HS）作为天然的氧化还原介质，能够促进电子转移，并与微生物驱动的铁氧化还原循环耦合。HS能够将Fe(III)还原为Fe(II)，形成铁络合物，从而显著提高Fe(II)的浓度。因此，HS可能用于铁壳的分解。已有研究表明，将ZVI与HS类似物AQDS（蒽醌-2,6-二磺酸）结合的脱氮系统，显著提高了与铁氧化还原相关的细菌（Ferruginibacter）的丰度，并增强了脱氮基因的表达，包括narG、narH、硝酸盐还原酶（napA）、nirK和nosZ。其中，napA在电子转移过程中起着关键作用。另一个研究指出，HS类似物AQS（蒽醌-2-磺酸）在细胞呼吸抑制条件下能够恢复细胞内电子转移，并增强细胞外电子转移。首先，AQS从氧化碳源接受电子形成AH?QS，然后将其传递给辅酶Q（CoQ），最终促进电子从CoQ传递至c型细胞色素（c-Cyts）。其次，AQS的结构与辅酶Q的核心成分相似，能够高效地将电子传递给Nar。作为两种HS类似物，AQDS的化学组成比AQS更为复杂，其在ZVI基脱氮过程中的表现也显示出积极作用。然而，AQS在细胞呼吸抑制条件下展现出更优异的恢复和增强细胞内外电子转移的能力。此外，AQS的醌结构可以被还原为氢醌，氢醌将电子传递给铁壳，促进Fe(III)的还原过程。同时，氢醌重新转化为醌结构的过程使其在厌氧反应中持续发挥作用，从而防止有害副产物的形成。因此，AQS被应用于铁涂层污泥系统中，作为电子载体，将脱氮过程与Fe(III)/Fe(II)氧化还原循环耦合。这种双重功能促进了电子转移，增强了微生物代谢活性，优化了铁离子的利用，从而共同提高了脱氮效率。因此，AQS特别适用于铁涂层脱氮污泥系统，这些系统由于物质传递受限而表现出一定的挑战。

基于上述背景，本研究设计了一种利用AQS分解铁壳的策略，以缓解铁涂层脱氮污泥系统的表面钝化问题。该策略旨在克服细胞间物质传递的限制，重新激活近于失活的污泥，促进铁离子循环，最大化铁离子的利用，从而最终提高脱氮效率。具体研究目标包括：（1）评估AQS在分解铁壳和提高硝酸盐去除效率（NRE）方面的作用；（2）分析AQS对污泥形态和微生物群落组成的影响；（3）阐明AQS通过分解铁壳和增强NRE的作用机制。通过这些研究，我们期望为铁介导的脱氮系统在处理低C/N比废水时提供新的见解，特别是在缓解污泥表面钝化方面。