突破微污染水源氮污染控制瓶颈：微生物群落富集驱动的好氧反硝化效能提升及可持续应用

为解决微污染水源中电子供体不足及无机电子供体持续性差导致的脱氮效率低下问题，研究人员构建了自驱动微反应器，整合铁还原好氧反硝化菌固定化技术与无机电子供体定向传输，实现硝酸盐氮（NO3?-N）、总氮（TN）、化学需氧量（COD）和总磷（TP）去除率分别达57.59%、58.66%、59.58%和81.30%。该研究揭示了“生物膜-铁循环”协同机制及功能菌群（如Polynucleobacter、Geobacter）的生态位优势，为水处理工艺优化提供重要理论和技术支撑。

　　

研究背景与意义

微污染水源的氮污染已成为威胁水生态平衡和人类健康的重大挑战。随着工业化和城市化加速，水源水库中低碳氮比导致的电子供体匮乏问题尤为突出，传统脱氮技术效率受限。好氧反硝化技术虽成本低廉，但面临功能菌群绝对丰度低（仅8.64±2.08×10³ CFU/mL）和电子供体持续性不足的双重制约。铁材料作为理想无机电子供体，其氧化还原过程在好氧条件下缺乏连续性，亟需通过微生物-材料协同系统突破技术瓶颈。

研究方法与技术

西安某研究团队构建了“活性炭-海绵铁（AS）”自驱动微反应器，整合菌群固定化与电子供体定向传输技术。通过144天四周期实验，结合中性群落模型、物种丰度分布统计及网络分析，解析了微生物群落结构与功能基因差异。样本来自西安市峪子沟水库（34°27′52″N, 108°54′19″E），采用海绵铁（Fe⁰含量>88%）和椰壳活性碳作为核心材料。

研究结果

氮去除性能与比较

AS微反应器在四周期运行中，NO₃^?-N和TN去除率较对照组（UA/CA）提升3倍以上，达57.59%和58.66%。间歇厌氧处理显著促进Fe³⁺/Fe²⁺循环，但延长厌氧周期未进一步提升脱氮效率（图1）。

微生物群落结构与功能

生物膜中优势菌群Polynucleobacter（兼性反硝化）、Geobacter（铁循环）和Anaeromyxobacter（糖酵解）形成核心生态位。网络分析显示，随着运行周期延长，生物膜群落复杂性和网络稳定性显著增强（P<0.05）。

功能基因调控

铁循环（如cytochrome c基因）和糖酵解代谢通路基因上调，与生物膜合成相关基因协同提升脱氮效率。功能菌群通过“生物膜-铁循环”机制实现电子传递链优化。

结论与意义

该研究首次在微污染水源中构建了“好氧-缺氧-厌氧”共存微生态系统，通过AS微反应器实现57.59%的NO₃^?-N去除率，并揭示功能菌群协同分子机制。成果发表于《Water Research》，为水处理工艺提供了兼具高效性与可持续性的解决方案，尤其适用于低C/N比水源修复。

（注：全文数据与结论均基于原文，未添加非文献依据的表述。）