基于微米级铁的载体通过提高污泥的疏水性并调节微生物代谢，增强了生物膜的形成和废水处理效果

《Journal of Water Process Engineering》：Micron iron-based carriers enhance biofilm formation and wastewater treatment by improving sludge hydrophobicity and modulating microbial metabolism

本研究提出利用微米铁基载体（MICs）增强生物膜形成，提升污水脱氮除磷效率。实验表明，MICs通过增强污泥疏水性、调节微生物群落及代谢活性，使总氮去除率达82.4%，总磷去除率达93.6%。关键机制包括EPS组分变化（如疏水官能团C-SH、C=O增多）和功能基因（amoABC、nirK、nosZ、ppk）上调，为生物膜法污水处理提供新策略。

　　在现代城市化进程中，污水处理系统面临着日益增长的水处理量和更严格的出水标准。为了应对这些挑战，研究者们不断探索新的技术手段以提升处理效率和系统稳定性。其中，基于生物膜的载体技术因其能够有效促进微生物附着和形成稳定的生物膜结构，已被广泛应用于改善污水处理效果。然而，传统生物膜的形成过程往往较为缓慢，需要数周甚至数月的时间才能达到成熟的阶段，这在实际应用中可能限制了其效能的发挥。因此，开发能够加速生物膜形成并增强系统在波动条件下的适应能力的新型策略，成为当前污水处理领域的重要研究方向。

本研究提出了一种基于微米级铁基载体（MICs）的原位增强策略，旨在通过优化生物膜的形成过程和微生物代谢活动，提高污水处理系统的性能。MICs作为一种新型的粉末状载体，具有较大的比表面积和良好的界面特性，这使得其在促进污泥聚集和生物膜发展方面表现出显著的优势。与传统的厘米级载体相比，MICs能够更紧密地与污泥絮体接触，从而增强微生物的附着能力，提升生物聚合体的稳定性。此外，MICs的表面特性还可以通过调控微生物群落结构，进一步优化处理过程中的关键代谢路径。

研究发现，MICs的引入不仅显著提升了氮和磷的去除效率，还对污泥的表面特性产生了深远的影响。通过分析污泥的表面特性和胞外聚合物（EPS）组成，研究人员发现，MICs能够富集具有疏水性的EPS成分，并改变蛋白质的二级结构，从而形成更加稳定和疏水的生物膜基质。这一变化不仅促进了微生物的附着，还增强了生物膜的结构完整性，提高了其在高负荷条件下的处理能力。在实验中，污泥颗粒的平均尺寸从46.6微米增加到了154.5微米，表明MICs在促进污泥聚集方面具有积极作用。

进一步的微生物群落分析表明，MICs的添加显著重塑了微生物的组成，特别是对硝化细菌和聚磷菌的相对丰度产生了积极影响。硝化细菌的相对丰度从11.67%增加到了17.74%，而聚磷菌的相对丰度则从5.49%提升到了7.81%。这一变化表明，MICs能够选择性地富集那些对氮和磷去除具有重要作用的微生物，从而提高系统的处理效率。同时，研究还发现，与这些功能微生物相关的基因，如amoABC、nirK、nosZ和ppk，均表现出显著的上调趋势，进一步验证了MICs对氮转化和磷代谢过程的促进作用。

通过微生物代谢途径和网络拓扑结构的分析，研究人员还发现，MICs的添加增强了氮和磷的循环能力，同时促进了微生物之间的紧密相互作用和代谢整合。这些结果表明，MICs不仅作为物理支架支持微生物的附着和生物膜的形成，还通过调节微生物的代谢活动，提升了整个系统的处理性能。此外，研究还揭示了功能微生物与污泥表面特性之间的强相关性，这为理解MICs在生物膜形成过程中的作用提供了新的视角。

在实验操作方面，研究团队建立了一个实验室规模的序批式反应器（SBR），其有效工作容积为2升，并连续运行超过120天。整个系统采用了厌氧-好氧（AO）的操作模式，分为三个阶段。在第一阶段（第0至31天），每个周期持续6小时，包括3小时的厌氧搅拌（其中包含5分钟的进水阶段），随后是2.5小时的好氧曝气，最后是0.5小时的沉淀和排泥阶段。第二阶段（第32至66天）设计为增加排水比例并缩短周期时间，以模拟更高的进水负荷，从而评估系统在不同条件下的适应能力。第三阶段则用于进一步优化处理效果，并观察系统在长期运行中的稳定性。

在长期运行过程中，研究团队对反应器的性能进行了系统评估。结果显示，随着进水负荷的增加，反应器的处理效果在第二阶段出现了明显波动。例如，出水中的氨氮（NH??–N）浓度从0.5毫克/升上升至5.3毫克/升，总氮（TN）浓度也从14.1毫克/升增加到了20.6毫克/升。与此同时，总磷（TP）和化学需氧量（COD）的去除效果则保持了较高的稳定性。这些数据表明，虽然高负荷对系统提出了更高的要求，但MICs的引入有效地缓解了这种压力，确保了处理效果的持续提升。

在污泥表面特性和EPS组成方面，MICs的添加显著改变了污泥的物理化学特性。研究人员通过多种分析手段，发现MICs能够促进疏水性EPS成分的富集，并促使蛋白质结构从α-螺旋向β-折叠转变。这种结构上的变化使得污泥表面变得更加疏水，从而增强了微生物的附着能力，提高了生物膜的形成效率。此外，疏水性EPS成分的增加还改善了污泥的沉降性能，使其在处理过程中更加稳定，减少了污泥流失的风险。

从微生物群落的角度来看，MICs的引入不仅改变了微生物的组成，还影响了其代谢活动。通过高通量测序和功能基因分析，研究人员发现，MICs能够选择性地富集那些在氮和磷去除过程中起关键作用的微生物。例如，硝化细菌和聚磷菌的相对丰度均显著增加，这表明MICs在促进这些功能微生物的生长和代谢方面具有重要作用。同时，与这些微生物相关的功能基因，如amoABC、nirK、nosZ和ppk，也表现出显著的上调趋势，进一步证实了MICs对氮转化和磷代谢过程的促进作用。

研究还发现，MICs的添加能够显著增强微生物之间的相互作用，提高系统的代谢整合能力。通过分析微生物的代谢途径和网络拓扑结构，研究人员发现，MICs不仅促进了微生物的聚集，还优化了其代谢路径，使得氮和磷的去除效率得到了显著提升。此外，MICs还能够调节微生物的代谢活动，使其在高负荷条件下保持较高的活性，从而确保系统的稳定运行。

从实际应用的角度来看，MICs作为一种新型的微米级铁基载体，具有诸多优势。首先，其成本较低，且在使用过程中不会产生二次污染，这使其在大规模应用中更具可行性。其次，MICs的表面特性可以通过调控实现定制化，从而满足不同污水处理需求。此外，MICs的机械稳定性使其能够在复杂环境中长期发挥作用，提高系统的耐久性和适应性。

本研究的结果表明，MICs不仅能够作为物理支架促进生物膜的形成，还能够通过调节微生物的代谢活动，提高污水处理系统的性能。在高负荷条件下，MICs的添加显著提升了氮和磷的去除效率，分别达到了82.4%和93.6%。这表明，MICs在污水处理领域具有广阔的应用前景，尤其是在需要高效处理和稳定运行的场景中。

此外，研究还强调了MICs在污泥表面特性和微生物代谢调控方面的双重作用。一方面，MICs通过改变污泥的物理化学特性，如增加疏水性和改善沉降性能，为微生物的附着和生物膜的形成提供了更好的条件。另一方面，MICs通过调节微生物的代谢活动，增强了系统的处理能力，使其能够在高负荷条件下保持较高的去除效率。这种双重作用机制为理解MICs在污水处理中的应用提供了新的视角，并为未来的优化研究奠定了基础。

本研究的结论不仅具有理论意义，也对实际应用具有重要的指导价值。通过系统分析MICs在生物膜形成和污染物去除过程中的作用，研究人员为污水处理系统的设计和优化提供了新的思路。MICs的引入使得污水处理系统能够在更高的负荷条件下保持稳定运行，同时提高了氮和磷的去除效率。这表明，MICs作为一种新型的载体材料，有望在未来污水处理技术中发挥重要作用。

总的来说，本研究通过实验验证了MICs在促进生物膜形成和提高污水处理性能方面的潜力。研究结果不仅揭示了MICs对污泥表面特性和微生物代谢活动的调控机制，还为未来的污水处理技术发展提供了新的方向。随着对MICs研究的深入，其在污水处理领域的应用前景将更加广阔，有望成为提升污水处理效率和系统稳定性的关键手段。