镁在通过厌氧氨氧化（anammox）诱导的磷酸镁矿化作用缓解消化物处理过程中的冷应激中的多方面作用

《Bioresource Technology》：Multifaceted role of Mg in mitigating cold stress during digestate treatment via anammox-induced magnesium phosphate mineralization

镁的引入在低温下显著提升厌氧氨氧化耦合镁磷矿化系统的脱氮效率（+23%），通过促进胞外聚合物蛋白分泌（15–21%）和疏水域暴露，协同MP晶体增强颗粒聚集。生物诱导的MP过程表现出良好的低温适应性，揭示镁的多功能机制（能量代谢调控、电子传递优化、细胞防御强化）及协同作用网络（73%正协同），为全天候污水处理提供理论支撑。

　　

李家怡|张宇|陈永星|张恒|李永刚|杨俊峰|秦家富|王晓军

华南理工大学环境与能源学院，中国广州510006

摘要

厌氧氨氧化（anammox）诱导的磷酸镁（MP）矿化提供了一种可持续的策略，可以同时去除废水中的氮和回收磷。本研究证明，镁的引入不仅为MP生物矿化提供了基质，还通过改善能量代谢和电子转移效率减轻了氮去除过程中的冷胁迫。在约13.4℃的温度下，添加镁使反应器的氮去除效率比不添加镁的情况下提高了23%。镁还促进了细胞外蛋白质的分泌（增加了15–21%）以及细胞外聚合物中疏水结构的暴露，这与MP晶体的形成共同作用，增强了颗粒的聚集。在anammox共生体中，73%的相互作用表现出正向的协同效应，形成了一个主要由直接合作的anammox细菌和反硝化菌驱动的高效氮去除系统；而异养细菌则通过间接的代谢促进作用增强了这一效果。此外，这种生物诱导的MP过程显示出可靠的低温适应性。本研究阐明了镁在低温下的多功能作用，并为anammox-MP系统的全天候运行提供了理论基础。

引言

磷是一种具有双重作用的元素：它既会引发富营养化，又是农业和工业发展不可或缺的（Mayer等人，2016年）。然而，从磷矿石中提取的磷可能在50–100年内被耗尽，因此需要寻找替代的磷生产方法（Ma等人，2020年）。值得注意的是，大约10%的磷进入了废水系统，而90%的进水中的磷被沉淀在污泥中（Li等人，2024a）。厌氧消化有助于有机物的回收，并同时将磷从污泥中释放出来，使得从污泥中回收磷成为一种关键的资源回收策略（Li等人，2019年）。通过引入金属离子，可以从污泥中回收有价值的磷酸盐矿物，如羟基磷灰石（HAP，Ca₅(PO₄)₃OH）、钒酸氢钙（Fe₃(PO₄)₂·8H₂O）和鸟粪石（MgNH₄PO₄·6H₂O），这些矿物可用于农业和工业（Li等人，2024b）。

此外，污泥中含有较高的氮浓度，因此需要对其进行处理以防止环境危害。由于厌氧氨氧化（anammox）过程能耗低且不依赖有机碳，它已被广泛用于处理高氮含量的废水，包括污泥（Lackner等人，2014年）。同时，利用anammox反应的特性——pH值升高，最近提出了anammox诱导的金属磷酸盐矿化概念，以实现氮和磷的协同去除（Ma等人，2020年）。例如，将anammox与HAP结晶结合使用，可以达到超过80%的氮和磷去除效率（NRE和PRE）（Chen等人，2023年）；而anammox与Fe/P结晶的结合则实现了79%的磷去除效率（Zhou等人，2024年）。我们之前的研究展示了anammox与磷酸镁（MP）结晶结合在同时去除氮和磷方面的潜力（Li等人，2024a）。在这个过程中，anammox细菌（AnAOB）介导的矿物转化（从鸟粪石到MP）以及微生物EPS的功能作用是关键因素（Li等人，2024a, Li等人，2024b）。此外，该过程还显示出对污泥处理的良好适应性，氮和磷的去除效率分别达到了92%和82%（Li等人，2025年）。然而，在低温条件下扩展anammox诱导的MP过程的潜力仍需进一步探索。

由于AnAOB对环境的敏感性，低温会降低其活性。当温度降至15–20℃时，AnAOB的活性会降至30℃时的20–40%（Lotti等人，2015年）。此外，温度也是矿物结晶的关键因素。因此，需要在低温条件下研究anammox诱导的MP过程的适应性。关键的是，在生物矿化过程中引入了镁作为基质。作为必需的营养元素，镁能够激活DNA拓扑异构酶和腺苷酸激酶，从而调节生物过程（He等人，2019年）。适量的镁可以确保anammox的氮去除能力（Gao等人，2023年）。然而，镁是否能够缓解冷胁迫以及其中的机制尚不清楚，尤其是在生物诱导的矿化系统中。此外，在冬季温度波动和复杂污泥基质条件下，控制磷结晶和去除的关键因素也需要进一步阐明。

本文全面评估了anammox诱导的MP过程在实际污泥处理中的长期运行性能，尤其是在冬季条件下的表现。特别是，通过多尺度分析揭示了镁缓解冷胁迫的机制，阐明了镁在低温条件下的多种作用。此外，还明确了影响磷去除的关键因素。这些发现对于营养物质的回收以及全天候条件下可持续废水处理的大规模应用具有重要的实际意义。

反应器与操作

连续实验使用了一个1升的上流式污泥床反应器（循环比为5:1），具体细节见补充材料（图S1）。反应器接种了在实验室中培养的anammox污泥。接种污泥的详细信息见补充材料（文本S1）。

本长期实验中使用的废水来自一个实验室规模的部分硝化（PN）反应器

季节性温度下的氮去除性能

反应器运行了105天，处理实际污泥，并根据进水中镁的浓度分为四个操作阶段（阶段I-IV）。如图1所示，反应器的氮去除性能随进水温度（12.1–23.1℃）呈协同波动。氮去除效率（NRE）在58%到91%之间变化，最低和最高的氮去除率分别为0.819 kgN/(m³·d)和1.340 kgN/(m³·d)。线性回归分析（图S3）表明

结论

本研究揭示了镁在anammox诱导的Mg-P矿化系统中的多功能作用和机制。除了提供结晶基质外，镁在低温下使系统的氮去除效率提高了23%，并且在冬季温度波动的情况下，氮去除率（NRR）仍保持在1.020 kgN/m³·d以上。具体来说，镁加速了anammox共生体的能量代谢和电子转移，同时促进了细胞自我防御机制的构建。此外，镁还促进了EPS蛋白的分泌

作者贡献声明

李家怡：撰写初稿、可视化处理、验证、方法学设计、实验研究、概念构思。张宇：监督、实验研究。陈永星：撰写、审稿与编辑、验证。张恒：方法学设计。李永刚：监督、实验研究。杨俊峰：验证、监督、实验研究。秦家富：验证、实验研究。王晓军：撰写、审稿与编辑、资金筹集、概念构思。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的财务利益冲突或个人关系可能影响本文的研究结果。

致谢

本研究得到了广州市科技计划（项目编号2024B03J1278）和中央高校基本科研业务费（项目编号2025ZYGXZR008）的支持。