纳米零价铁强化厌氧氨氧化生物膜特性及氮代谢机制研究

针对厌氧氨氧化(Anammox)细菌(AnAOB)富集慢、活性易受抑制等问题，研究人员通过间歇投加纳米零价铁(nZVI)探究其对Anammox生物膜形成及氮代谢的强化机制。结果表明，nZVI促进胞外聚合物(EPS)分泌，关键功能基因(hzsA/B/C等)表达提升427.90–596.49%，Fe(II)/Fe(III)循环驱动的协同代谢路径主导系统脱氮。该研究为nZVI强化Anammox工程应用提供理论支撑。

　　

随着全球污水处理需求日益增长，传统硝化-反硝化工艺因能耗高、碳源依赖性强等缺点面临挑战。厌氧氨氧化(Anammox)技术凭借无需有机碳源、污泥产量低等优势成为研究热点，但其核心功能菌——厌氧氨氧化细菌(AnAOB)生长缓慢(倍增时间约11天)，且易受溶解氧(DO)、有机物等因素抑制。如何快速富集AnAOB并提升其活性，成为推动Anammox工程应用的关键。生物膜技术通过载体固定化可保护AnAOB并形成微环境梯度，而过渡金属铁作为AnAOB关键辅因子(如血红素C、铁硫蛋白)的组成元素，其添加策略备受关注。纳米零价铁(nZVI)因比表面积大、还原性强等特性，可能以更低剂量实现更显著效果，但间歇投加模式对生物膜系统的影响机制尚不明确。

针对上述问题，中国研究人员通过为期110天的序批式生物膜反应器(SBBR)实验，系统解析了nZVI间歇投加对Anammox生物膜特性及氮代谢的强化机制。研究采用改性Boltzmann模型拟合脱氮动力学，结合高通量测序分析微生物群落演变，并利用X射线光电子能谱(XPS)表征铁形态转化。

Anammox生物膜形态特征
生物膜在30天内成功挂载，nZVI投加后混合液悬浮固体(MLSS)和挥发性悬浮固体(MLVSS)分别提升至15.32±2.14和9.87±1.56 mg/g载体。扫描电镜(SEM)显示nZVI促进微生物聚集，形成致密网状结构。

胞外聚合物(EPS)响应机制
nZVI刺激EPS分泌，总EPS(T-EPS)中蛋白质(PN)占比提升至72.3%，疏水性增强利于生物膜稳定性。XPS证实Fe(OH)₃
、γ-FeOOH等腐蚀产物生成，可能参与电子传递。

脱氮性能与动力学
改性Boltzmann模型精准预测NH₄
⁺
-N和NO₂
^-
-N去除率(拟合度R²

0.98)，总氮去除负荷达0.42 kg N/(m³
·d)。

微生物群落与代谢通路
AnAOB相对丰度从0.12%提升至1.34%，关键基因hdh(联氨脱氢酶)和hzsA/B/C(联氨合成酶)表达量增长427.90–596.49%。Fe(II)/Fe(III)循环驱动Anammox与反硝化协同脱氮。

该研究首次阐明间歇nZVI投加通过"EPS分泌-铁循环-功能基因激活"多途径强化Anammox生物膜的机制，为低碳污水处理技术优化提供新思路。成果发表于《Journal of Environmental Management》，获国家重点研发计划(2022YFC3203702)等资助。