从厌氧氨氧化到铁氨氧化代谢模式转变：厌氧氨氧化富集培养中亚硝酸盐的调控策略》开启氮去除新征程

为解决厌氧氨氧化（Anammox）在主流污水处理应用受限及 Fe (III) 介导的氨氧化（Feammox）代谢不稳定问题，研究人员开展通过调控亚硝酸盐实现 Anammox 到 Feammox 代谢转变的研究，结果实现耦合，明确机制，为节能脱氮提供思路。

　　在污水处理的大舞台上，厌氧氨氧化（Anammox）本是一颗闪耀的明星。它能以亚硝酸根（NO₂^?）为终端电子受体，将铵根（NH₄⁺）氧化为氮气（N₂），相比传统的硝化 - 反硝化工艺，能节省高达 85% 的运营成本。然而，它在主流污水处理领域却面临重重困境。主流污水中 NH₄⁺浓度低、水力负荷高，想要抑制亚硝酸盐氧化菌，同时维持厌氧氨氧化菌（AnAOB）的活性，简直难如登天。

就在这时，Fe (III) 介导的氨氧化（Feammox）技术出现了，它就像一位带着新希望的勇士，能以 Fe (III) 为终端电子受体氧化 NH₄⁺。把 Feammox 和 Anammox 结合起来，似乎能减少对 NO₂^?的依赖。可现实总是充满挑战，持续添加 Fe (III) 会导致细胞结垢，维持稳定的 Feammox 代谢谈何容易。而且，如果为了增强 Feammox 代谢而过度牺牲 Anammox 活性，在实际应用中也不现实。

为了突破这些困境，来自国内的研究人员踏上了探索之旅。他们致力于建立一套适合富铁条件下厌氧氨氧化富集培养代谢特征的 NO₂^?调控策略，想要揭开厌氧氨氧化污泥展现出的非典型 Feammox 活性的神秘面纱，研究成果发表在《Bioresource Technology》。

研究人员采用了多种关键技术方法。首先搭建了实验室规模的序批式反应器（SBR），用来自实验室规模反应器的厌氧氨氧化颗粒污泥进行接种 。实验过程中，持续监测进出水的氮浓度变化；通过宏基因组分析，探究微生物群落结构及功能基因。

研究人员开始了他们的实验。在反应器搭建和污泥接种环节，一个总工作体积为 4L 的实验室规模序批式反应器（SBR）被精心打造出来。它配备了机械搅拌装置和加热棒，能让反应器内的温度稳定保持在 30 ± 1°C。接种的厌氧氨氧化颗粒污泥 “来头不小”，其混合液挥发性悬浮固体达到 17.5g/L ，粒径在 3 - 5mm，接种体积为 0.25L。此外，6 个特制的载体球被固定在 SBR 的内壁上。

接着，研究人员开始探究逐渐降低进水亚硝酸盐对脱氮性能的影响。实验期间，NH₄⁺-N 浓度稳稳地保持在平均 80.7mg/L。当进水 NO₂^?-N 浓度下降到 94.9mg/L（阶段 II）时，神奇的事情发生了，出水的 NO₃^?-N 成了唯一的含氮物质，浓度达到 11.5mg/L 。此时，平均铵去除效率（NaRE）和总氮去除效率（TNRE）分别高达 100% 和 93.5%。可随着 NO₂^?-N 浓度进一步降低到 69.9mg/L，出水的 NH₄⁺-N 开始慢慢积累起来。

进一步深入研究发现，持续的 Feammox 活性受到硝酸盐依赖的亚铁氧化（NDFO）代谢和氧调控的 Fe (III) 再生的共同控制 。在 NO₂^?-N 浓度为 40mg/L 时，总氮去除效率达到了峰值 91.6%。有意思的是，就算 NO₂^?-N 水平不断下降，Anammox 活性依旧强劲，而且它和 Feammox 活性之间还存在显著的正相关关系，这表明它们可能共享一些代谢模块。通过宏基因组分析，研究人员还确定了 “Ca. Brocadia” 是驱动 NH₄⁺-N 氧化的核心功能属，凸显了它在铁介导系统中的良好适应性。

在结论部分，研究人员发现，在进水 NH₄⁺-N 和 NO₂^?-N 浓度分别为 80mg/L 和 40mg/L 的条件下，零价铁 - 厌氧氨氧化污泥系统成功实现了 Anammox - Feammox 的耦合，NH₄⁺-N 去除率达到 94.1%，总氮（TN）去除率为 91.6%。机理分析表明，低 NO₂^?-N 环境通过平衡 Anammox 活性的保持和 Feammox 活性的增强，促进了脱氮过程，建立起了双途径协同反硝化模式。

这项研究意义重大。它不仅成功实现了从 Anammox 到 Feammox 的代谢转变，还揭示了背后的调控机制和电子转移机制。这为设计利用铁氧化还原循环的节能脱氮工艺提供了坚实的理论框架，为污水处理领域开辟了新的方向，有望让污水处理变得更加高效、节能。