微米零价铁调控碳代谢与电子传递强化低碳源条件下的异养反硝化作用

针对低碳氮比污水脱氮效率低的问题，中国科学院研究人员探究了微米零价铁（mZVI）对异养反硝化的强化机制。研究发现500 mg/L mZVI通过提升关键酶（GAPDH、PFK）活性促进碳源代谢效率，上调电子传递（NADH）和反硝化相关基因表达，使硝酸盐去除率提升15.4%。该研究为ZVI在生物净化系统中的工程应用提供了理论支撑。

　　

随着工农业快速发展，氮污染已成为全球水环境治理的顽疾。硝酸盐(NO₃^-)作为地表水和地下水中第二大污染物，其过量排放会导致水体富营养化，威胁生态系统平衡。传统污水处理厂面临低碳氮比污水脱氮效率低下的困境，而异养反硝化作为主流脱氮途径，其效能受限于碳源不足。虽然微米零价铁(mZVI)在自养反硝化中的应用已有报道，但其对异养反硝化的影响机制仍是未解之谜。

针对这一科学问题，中国科研团队在《Environmental Research》发表研究，系统揭示了mZVI在低碳源条件下强化异养反硝化的分子机制。研究采用典型反硝化模式菌——脱氮副球菌(Paracoccus denitrificans)，通过批次实验结合多组学分析，发现mZVI虽不直接作为电子供体，但能通过铁腐蚀产物Fe²⁺的动态转化调控微生物代谢。初期溶解态Fe²⁺会短暂抑制菌体生长，但随着铁氧化物在菌体表面沉积，反而促进细胞增殖。关键发现是mZVI显著提升了甘油醛-3-磷酸脱氢酶(GAPDH)和磷酸果糖激酶(PFK)的活性，优化碳源代谢流，使电子载体NADH产量增加28.6%，同时上调了电子传递链复合体及硝酸盐还原酶(narG)等基因表达。

在技术方法层面，研究主要采用：1）ZVI表面表征技术分析腐蚀产物；2）酶联免疫法测定关键酶活性；3）实时荧光定量PCR检测代谢通路基因表达；4）电化学工作站评估电子传递效率。

研究结果部分：

1. Impact of mZVI on bacterial denitrification
   实验证实500 mg/L mZVI使硝酸盐去除率提升至61.2%，但初期18小时因Fe²⁺毒性出现短暂抑制。X射线光电子能谱显示腐蚀生成的α-Fe₂O₃在菌体表面形成导电网络。

2. Carbon metabolism regulation
   代谢组学显示mZVI组糖酵解通路中间产物浓度提升1.7倍，GAPDH活性增加2.3倍，促使更多碳源流向能量代谢而非生物合成。

3. Electron transfer enhancement
   循环伏安曲线显示mZVI组氧化峰电流密度升高35%，对应NADH/NAD⁺比值提升，证实电子传递效率改善。

结论部分强调，该研究首次阐明mZVI通过"代谢重编程-电子传递优化"双途径强化异养反硝化的机制，为发展低碳污水处理技术提供了新思路。特别是发现ZVI的剂量效应窗口（200-800 mg/L），对工程应用具有重要指导价值。讨论指出，铁基材料在污水系统中的长期稳定性、生态风险等问题仍需进一步研究，但该工作无疑为绿色水处理技术开发奠定了科学基础。