FexSy复合材料作为水产养殖反硝化过程中的电子供体：提高电子传递效率并减少硫酸盐的产生

《Journal of Water Process Engineering》：Fe xS y composites as electron donor for aquaculture denitrification: Enhancing electron transfer efficiency and decreasing sulfate generation

合成铁硫复合物Fe_xS_y显著提升水产养殖循环系统（RAS）中硝酸盐去除效率，较天然黄铁矿提高2.4倍，硫酸盐生成量降低75%，且未检测到亚硝酸盐和氨氮积累。XRD和SEM-EDS分析揭示其含FeS2、FeS和Fe7S8三种晶体相，孔隙结构（平均孔径4.95nm）促进电子传递。微生物群落以Romboutsia、Trichococcus和Thiobacillus为主，硫代谢基因dsrA和soxB表达上调。结论：1Fe1S配方可作为高效低副产物硝酸盐去除剂应用于RAS。

　　本研究围绕循环水养殖系统（RAS）中硝酸盐（NO??）去除技术展开，旨在探索一种新型的电子供体材料，以提高生物脱氮效率并减少副产物的生成。传统上，自然黄铁矿被用作脱氮反应的电子供体，但其应用受限于反应速率较低、金属溶解问题以及副产物硫酸盐（SO?2?）的大量产生。因此，研究人员尝试通过合成铁硫复合物（Fe?S?）来克服这些局限性，从而开发出一种更加可持续、高效的电子供体材料。

合成铁硫复合物的实验采用热解法，将铁粉与硫磺粉按照不同的摩尔比例混合后进行高温处理，以获得具有不同结构特性的复合材料。通过对不同材料的脱氮性能进行比较，研究发现，Fe?S?材料在脱氮效率上显著优于自然黄铁矿和硫磺粉。具体而言，1Fe1S配方的Fe?S?材料在25天的实验周期内，保持了超过93%的硝酸盐去除率，且能够有效抑制亚硝酸盐（NO??）和铵（NH??）的积累，使其浓度低于1.0 mg/L。这一结果表明，Fe?S?材料不仅具有较高的脱氮效率，还能够减少其他氮形态的干扰，为RAS系统提供更稳定的水质环境。

从实验数据来看，Fe?S?材料的脱氮效率提升主要归因于其优化的孔隙结构和更大的比表面积。这些特性有助于提高电子供体与微生物的接触效率，从而加快脱氮反应的进行。此外，研究还发现，Fe?S?材料的硫酸盐生成量仅为硫磺粉系统的0.25倍，这意味着其在减少副产物生成方面具有显著优势。这一特性对于RAS系统尤为重要，因为硫酸盐的积累可能会对水质产生不利影响，甚至对养殖生物的健康构成威胁。

在微生物群落分析方面，研究通过高通量测序技术揭示了Fe?S?材料系统中主要参与脱氮过程的微生物种类。结果表明，Romboutsia、Trichococcus和Thiobacillus等属是脱氮反应中的优势菌群，它们在不同Fe?S?配方中的分布情况有所差异。这说明，不同的铁硫比例可能会影响微生物群落的组成和功能，进而对脱氮效果产生影响。此外，研究还通过KEGG和FAPROTAX数据库对这些微生物的功能基因进行了预测，发现Fe?S?材料系统中与硫代谢相关的基因（如dsrA和soxB）表达水平明显提高。这表明，Fe?S?材料不仅能够促进脱氮反应的进行，还可能通过调控微生物的代谢途径来进一步优化系统的性能。

研究还对Fe?S?材料的结构特性进行了深入分析，利用X射线衍射（XRD）、扫描电子显微镜（SEM）-能谱分析（EDS）以及X射线光电子能谱（XPS）等技术手段，确认了其在热解过程中形成的三种晶相：FeS?、FeS和Fe?S?。这些晶相的存在不仅有助于提高电子供体的反应活性，还可能通过不同的氧化还原反应路径来增强脱氮效果。值得注意的是，Fe?S?材料中的铁呈现多种价态（Fe(0)、Fe(II)和Fe(III)），这种多价态的特性可能促进了电子的高效传递，从而提高了脱氮反应的整体效率。

在实际应用方面，研究团队对Fe?S?材料在RAS水处理中的可行性进行了系统评估。实验结果表明，Fe?S?材料能够在模拟RAS条件下保持稳定的脱氮性能，尤其是在硝酸盐浓度波动的情况下，其去除效率依然保持在较高水平。此外，Fe?S?材料的使用不会导致其他氮形态的显著积累，这对于维持水体的生态平衡至关重要。同时，研究还发现，Fe?S?材料在长期使用过程中对金属的溶解风险较低，这与自然黄铁矿的金属释放问题形成了鲜明对比。因此，Fe?S?材料不仅能够提高脱氮效率，还能够降低对养殖环境的潜在危害。

研究的创新点在于通过合成不同比例的铁硫复合物，探索其在生物脱氮中的应用潜力。实验中发现，富含硫的Fe?S?配方（如1Fe2S）更有利于实现完全的硝酸盐去除，而以铁为主的配方（如2Fe1S）则可能在某些条件下表现出不同的反应特性。这种差异提示我们，通过调整Fe:S?的摩尔比例，可以进一步优化Fe?S?材料的脱氮性能，使其更适应不同的水质条件和养殖需求。此外，研究还强调了Fe?S?材料在实际应用中的稳定性，这为其在RAS系统中的大规模推广提供了理论依据。

为了确保Fe?S?材料在实际应用中的有效性，研究团队还对材料的物理和化学特性进行了系统分析。通过XRD和SEM-EDS技术，研究人员能够直观地观察到材料的晶体结构和元素分布情况，从而为材料的优化设计提供参考。XPS分析则进一步揭示了材料表面的化学状态，这对于理解其在脱氮反应中的作用机制具有重要意义。综合这些分析结果，Fe?S?材料的结构特性与其脱氮性能之间存在紧密的联系，这种联系为后续材料的改进和应用提供了新的思路。

在实验方法方面，研究团队采用了多种手段来评估Fe?S?材料的脱氮性能。除了传统的化学分析方法外，还引入了高通量测序技术，以全面解析微生物群落的组成和功能。这种方法不仅能够揭示脱氮过程中的关键微生物，还能够预测其潜在的代谢途径，从而为优化脱氮系统提供科学依据。此外，实验还涉及不同反应条件下的对比分析，包括不同电子供体的使用效果、不同Fe:S?比例的合成材料对脱氮性能的影响等。这些实验结果表明，Fe?S?材料在不同条件下均表现出良好的脱氮能力，其应用前景广阔。

综上所述，本研究通过合成铁硫复合物（Fe?S?）材料，成功解决了传统电子供体在RAS系统中应用的诸多问题。Fe?S?材料不仅具有更高的脱氮效率，还能够显著减少硫酸盐的生成，同时降低金属溶解的风险。此外，其优化的孔隙结构和多价态铁的存在，进一步提升了电子供体的反应活性和稳定性。这些优势使得Fe?S?材料成为一种具有广泛应用前景的电子供体材料，特别是在循环水养殖系统中。研究还强调了Fe?S?材料在实际应用中的可行性，表明其不仅能够满足脱氮技术的需求，还能够为RAS系统的可持续发展提供支持。

在实际应用中，Fe?S?材料的使用需要考虑多个因素，包括其物理化学特性、微生物群落的适应性以及系统运行的稳定性。研究团队通过实验验证了Fe?S?材料在模拟RAS条件下的长期性能，这为未来在真实养殖系统中的应用奠定了基础。此外，研究还指出，不同Fe:S?比例的Fe?S?材料可能适用于不同的水质条件，这提示我们在实际应用中需要根据具体的环境需求来选择合适的材料配方。同时，研究还强调了Fe?S?材料在减少金属污染方面的潜力，这对于保障养殖生物的健康和生态系统的安全具有重要意义。

从更广泛的角度来看，本研究的成果不仅对RAS系统的水处理技术具有指导意义，还为其他废水处理领域提供了新的思路。Fe?S?材料的合成和应用展示了通过调控材料的结构和成分来优化生物脱氮性能的可行性，这种策略可以推广到其他需要高效脱氮的环境中。此外，研究还揭示了微生物群落与电子供体材料之间的复杂关系，这为未来的微生物工程研究提供了新的方向。通过进一步探索不同材料对微生物群落的影响，我们可以更全面地理解生物脱氮过程的机制，并开发出更加高效的脱氮技术。

总的来说，本研究通过合成铁硫复合物材料，为RAS系统的硝酸盐去除提供了一种新的解决方案。Fe?S?材料不仅在脱氮效率上表现出色，还能够有效减少副产物的生成，同时降低对养殖环境的潜在危害。这些优势使得Fe?S?材料成为一种具有广泛应用前景的电子供体材料，其在循环水养殖系统中的成功应用，为未来水处理技术的发展提供了重要的参考价值。