碳氮比对电促厌氧氨氧化生物膜脱氮性能的影响机制研究

本研究针对电促厌氧氨氧化（electro-Anammox）生物膜形成机制不明确的问题，通过构建生物电化学系统（BES），探究不同C/N比（1/1至1/4）对脱氮效率、氧化还原活性及微生物群落的影响。结果表明，高C/N比（1/4）使总氮去除率提升至82.5%，并促进铁铵氧化菌（Feammox）富集（相对丰度达18.06%），为低C/N废水处理提供了高效低耗的解决方案。

　　

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论文解读

氮污染是当前全球水环境面临的严峻挑战，传统硝化-反硝化工艺存在能耗高、需投加有机碳源等问题。厌氧氨氧化（Anammox）技术因其无需曝气、低碳排放的优势被视为革命性解决方案，但Anammox细菌生长缓慢（倍增时间长达11天）、对环境敏感的特性严重制约其工程化应用。如何快速富集Anammox菌群并提升脱氮效率成为研究焦点。近年来，生物电化学系统（BES）通过电极介导的电子传递被证明可加速Anammox反应（即electro-Anammox），但关键调控因素如进水碳氮比（C/N）的作用机制尚不明确。

福建省农业科学院等机构的研究人员通过构建BES反应器，首次系统探究了C/N比（1/1至1/4）对electro-Anammox生物膜形成与功能的影响。研究发现，在最优C/N比（1/4）下，系统仅需15天即可稳定形成生物膜，总氮去除率达82.5%，同时微生物燃料电池（MFC）输出电压稳定在0.5 V。该成果发表于《Journal of Environmental Chemical Engineering》，为低C/N废水处理提供了新思路。

关键技术方法
研究采用四组平行BES反应器，接种福州洋里污水处理厂活性污泥，分别控制C/N比为1/1至1/4。通过监测NH₄
⁺
、NO₂
^-
、NO₃
^-
浓度变化评估脱氮性能，利用高通量测序解析微生物群落结构，结合循环伏安法（CV）分析生物膜电化学活性。

研究结果

1. C/N比对氮转化效率的影响
   NH₄
   ⁺
   降解速率随C/N比升高显著提升（1/4组达1.13 mmol·L^-1
   ·d^-1
   ），总氮去除率从63.12%（1/1）增至82.5%（1/4）。高C/N比（1/3-1/4）有效抑制NO₃
   ^-
   积累，表明有机碳的精准调控可协同促进异养反硝化与Anammox。

2. 微生物群落响应机制
   电活性菌Geobacter相对丰度最高（21.83%-39.73%），证实电极对电子传递的促进作用。Feammox菌（如Alicycliphilus）丰度与进水铵浓度正相关，在C/N=1/4时达18.06%，揭示铁还原耦合铵氧化的新型脱氮路径。发酵菌（Thauera等）与反硝化菌（Acidovorax等）的共现表明系统存在多途径氮代谢网络。

3. 生物膜快速形成机制
   BES在15天内实现生物膜稳定富集，归因于：①电极提供电子受体加速Anammox菌代谢；②最佳C/N比（1/4）平衡了异养菌与自养菌的竞争，避免有机碳抑制。

结论与意义
该研究首次阐明C/N比通过调控Feammox菌富集（相对丰度提升300倍）和电活性菌功能表达，实现electro-Anammox生物膜的定向构建。相比传统UASB（启动需85天），BES将富集周期缩短至15天，且无需外加载体。这一发现为低C/N废水（如养殖废水、垃圾渗滤液）的低碳处理提供了技术范式，同时拓展了对铁循环耦合氮去除的认知边界。未来研究可进一步优化电极材料与C/N比的协同作用，推动electro-Anammox的工程化应用。