海绵铁耦合提升元素硫生物利用度以强化硝酸盐去除：电子传递与铁-氮-硫代谢新视角

本推荐语：本研究创新性地构建海绵铁(sFe0)与元素硫(S0)耦合自养反硝化生物滤池(S0-sFe0AD)，通过激活生化硫化途径原位再生高生物利用度FeS，显著扩展电子供体库并促进多路径反硝化。系统在Fe0/S0=0.5时实现969.7 mgN·L?1·d?1的硝酸盐去除负荷，效率超98.5%。宏基因组分析揭示铁硫氧化还原细菌（Thiobacillus等）及功能基因（narB、mtrC等）协同建立了自维持铁硫循环，为可持续废水处理提供了新策略。

　　

Highlight

本研究构建的新型海绵铁(sFe⁰)与元素硫(S⁰)耦合自养反硝化生物滤池(S⁰-sFe⁰AD)，在Fe⁰/S⁰比例为0.5、水力停留时间1.5小时的条件下，实现了高达969.7 mgN·L^?1·d^?1的硝酸盐去除率和56.1 mgP·L^?1·d^?1的磷酸盐去除率，效率均超过98.5%。激活的生化硫化途径能够原位再生高生物利用度的FeS，这一过程不仅扩展了电子供体库，还通过促进多路径反硝化减少了硫酸盐产量。此外，FeS介导的直接胞外电子传递(Direct EET)促进了铁硫氧化还原循环。宏基因组分析进一步揭示了耦合系统内增强的铁和能量代谢。富集的铁硫氧化还原细菌（如Thiobacillus、Desulfurivibrio和Geothrix）及功能基因（包括narB、mtrC、sox、fccAB和sir）促进了自维持铁硫循环的建立，从而延长了系统寿命。本研究为开发高效铁硫耦合自养反硝化技术以实现可持续废水处理提供了新见解。

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Startup and operation of column experiments

元素硫(S⁰，粒径3–5 mm)购自中国石化青岛炼油化工有限公司（山东）。海绵铁(sFe⁰，粒径<5 mm)由洁康环境科技有限公司（河南）提供。sFe⁰和S⁰的详细组成见表S1。为建立高效的S⁰-sFe⁰AD系统，五个有效填充体积为200 mL（直径21 mm，高度300 mm）的上流式生物滤柱在28 ± 2 °C下运行超过120天。

Nitrate removal performance

如图1g所示，硝酸盐去除效率(NRE)随sFe⁰/S⁰比例增加先升高后降低。在sFe⁰-S⁰耦合组中，T3组（sFe⁰/S⁰比例为0.5）表现出最佳反硝化性能。T3的硝酸盐去除负荷(NRL, 969.7 mgN·L^?1·d^?1)是T1组（sFe⁰/S⁰比例为0）的1.07倍，并且NRE从T1的92.5%提升至第7阶段的98.7%（图1，图1）。这些结果表明，以0.5的sFe⁰/S⁰比例构建的耦合系统...

Conclusion

本研究构建了S⁰-sFe⁰AD生物滤池以实现高效的硝酸盐和磷酸盐去除。主要结论如下：

• 耦合海绵铁通过激活生化硫化过程实现了FeS的原位再生，从而扩展了铁硫库，为反硝化提供了充足的电子流。

• 导电FeS介导的胞外电子转移(EET)增强了胞外铁硫物种的转化。同时，提升的电子传递系统活性(ETSA)和ATP协同促进了...