揭示溶解氧(DO)对电子传递及硫铁循环的调控机制：基于两段式黄铁矿生物滤池的实际二级出水深度脱氮除磷中试研究

本推荐研究通过169天的中试规模实验，创新性地采用两段式黄铁矿/锯末复合生物滤池处理高溶解氧（DO，3–8.5 mg/L）实际二级出水。系统在温度＞21°C、进水总氮（TN）10 mg/L条件下，实现出水TN < 2.0 mg/L、总磷（TP）< 0.5 mg/L的高效净化。研究从微生物群落（如Rhodocyclaceae、SRB）、功能基因（NAR、NIR、NOR、NOS及硫铁循环基因）及电子传递链（如Complex III）等多维度揭示高DO抑制脱氮效能及硫（S）/铁（Fe）循环的关键机制，为市政尾水深度处理提供新策略。

　　

Highlight

这项研究首次在中试规模下系统解析高溶解氧（DO）对黄铁矿生物滤池处理实际市政尾水的多重影响机制，揭示DO通过抑制电子传递链（如Complex III、NAR、NIR、NOR、NOS）及硫/铁循环功能基因（如sox、aprA/B、dsrA/B、korA/B/C），导致脱氮效能下降的关键路径，为高DO尾水深度处理提供微生物学与代谢调控新视角。

Nitrogen removal

如图1所示，生物滤池的整体脱氮性能显著受水温影响，其临界温度为21°C。因此，根据系统整体性能与温度的相关性，将实验划分为高温期（>21°C）与低温期（≤21°C）。在高温期，尽管进水DO浓度较高（3.0–8.5 mg/L），两级生物滤池仍表现出优异的TN去除性能，平均出水TN浓度低于2.0 mg/L，去除率稳定在80%以上。值得注意的是，NO₃^?-N是进水中的主要氮形态（约占TN的80%），其去除主要发生在第一级（FC）系统中。然而，在低温期，系统的TN去除效率显著下降，尤其在温度低于15°C时，出水TN升高至4.0 mg/L以上。进一步分析表明，低温不仅降低了微生物代谢活性，还加剧了高DO对反硝化过程的抑制效应，导致电子传递效率下降及中间产物NO₂^?-N的积累。

Conclusions

在进水TN为10 mg/L、温度高于21°C的条件下，两级黄铁矿生物滤池实现了TN（<2 mg/L）和TP（<0.5 mg/L）的深度去除。系统中优势反硝化菌为Rhodocyclaceae科细菌，且硫酸盐还原菌（SRB）作为关键物种发挥重要作用。高DO水平可能抑制复合体III（Complex III）、硝酸盐还原酶（NAR）、亚硝酸盐还原酶（NIR）、一氧化氮还原酶（NOR）和一氧化二氮还原酶（NOS）的活性，导致电子传递与利用过程不稳定。此外，高DO对硫循环基因（如soxA/B/Z/X、aprA/B、dsrA/B）和铁循环基因（如ABC.FEV·S、korA/B/C）表达的抑制，进一步阻碍了黄铁矿的生物氧化与电子供给能力，最终导致系统脱氮除磷性能下降。