硝酸盐/亚硝酸盐依赖型甲烷驱动膜生物膜反应器的溴酸盐还原效能及机制研究

为解决溴酸盐(BrO3-)与硝酸盐共污染水体的治理难题，研究人员构建了两种甲烷驱动膜生物膜反应器(MBfR)，分别以硝酸盐(MBfR-W1)和亚硝酸盐(MBfR-W2)为电子受体。研究发现异养反硝化菌群通过甲烷衍生短链脂肪酸(SCFAs)实现溴酸盐(5.6±0.1 mg BrO3--Br L-1·d-1)与氮污染物的同步去除，其中亚硝酸盐预富集体系展现更强稳定性。该研究为低碳水处理提供了新思路。

　　

溴酸盐污染是饮用水消毒过程中产生的棘手问题，这种被世界卫生组织列为2B类致癌物的污染物，常与硝酸盐污染共存于水体中。传统处理方法如反渗透不仅成本高昂，还可能产生二次污染。更麻烦的是，自然界中溴酸盐的化学稳定性使其像"水中钉子户"般难以清除。正当研究者们绞尽脑汁时，甲烷——这种廉价易得的温室气体，意外展现出治理潜力。但甲烷如何变身"清洁能手"？不同电子受体会如何影响其净化效果？这些谜团亟待破解。

国内研究机构的研究人员在《Water Research》发表的研究中，设计了两套精妙的膜生物膜反应器(MBfR)系统。他们采用非多孔透气中空纤维膜(聚乙烯材质，直径200μm)构建反应器，分别以硝酸盐(MBfR-W1)和亚硝酸盐(MBfR-W2)为电子受体启动系统。通过连续监测污染物去除效率、分析微生物群落结构(16S rRNA测序)及代谢产物(气相色谱检测SCFAs)，揭示了甲烷驱动污染物还原的分子机制。

MBfRs setup and inoculation
研究采用工作体积120mL的平行反应器，每套配备200根透气纤维膜，总表面积1.7×10^-2 m²。这种设计使甲烷能通过膜壁缓慢扩散，为附着其上的生物膜提供稳定碳源。

Performance of bromate removal
令人惊讶的是，虽然硝酸盐/亚硝酸盐始终优先被还原，但高浓度氮污染物反而促进了溴酸盐去除。MBfR-W2展现出更强适应性，在溴酸盐负荷达5.8 mg L^-1·d^-1时仍保持90%去除率，这暗示亚硝酸盐预富集可能训练出更强大的菌群。

SCFAs-mediated methane-driven bromate and nitrate/nitrite reduction
微生物分析揭开了关键谜底：主导菌群是假单胞菌(Pseudomonas)等异养反硝化菌，而非传统甲烷氧化菌。甲烷可能先转化为胞外聚合物(EPS)，再发酵生成乙酸等SCFAs。这些"能量货币"最终驱动了BrO₃^-→Br^-的转化。

Conclusions
该研究突破了甲烷必须依赖甲烷氧化菌的传统认知，揭示了SCFAs介导的新型污染物转化路径。特别值得注意的是，亚硝酸盐预富集的MBfR-W2系统在抗冲击负荷方面表现优异，这对实际水处理工程具有重要参考价值。这项研究不仅为溴酸盐-硝酸盐共污染治理提供了经济高效的解决方案，更开辟了甲烷生物利用的新途径，对推动低碳水处理技术发展具有重要意义。