《Journal of Environmental Chemical Engineering》：Stage-specific roles of low-NO
2–-N and pyrite in the reactivation and stabilization of long-term starved anammox sludge
编辑推荐：
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NH4+-N与NO2–-N的比例为1:0.5有利于污泥的初始复活。
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在1.90 kg·
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NH4+-N与NO2–-N的比例为1:0.5有利于污泥的初始复活。
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在1.90 kg·N m-3 d-1的负荷率和5.05小时的HRT（停留时间）下，黄铁矿反应器更加稳定。
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污泥回收后，黄铁矿反应器的EPS（EPS：细胞外多聚糖）、EDC（EDC：胞外有机物）和ETC（ETC：电子转移碳）含量均较高。
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黄铁矿反应器的EPS富集蛋白质，且厌氧氨氧化（anammox）颗粒更加致密。
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黄铁矿反应器中Ca. Kuenenia的相对丰度较高。
引言
厌氧氨氧化（anammox）是一种化能自养过程，其中厌氧氨氧化菌（AnAOB）在厌氧条件下以亚硝酸盐为电子受体氧化氨。整个生长过程的化学计量关系可表示为[1]：
传统的硝化-反硝化过程需要将NH4+-N有氧氧化为NO3–-N，然后再通过异养方式将NO3–-N还原为N2–-N。相比之下，anammox过程直接将NH4+-N的氧化与NO2–-N的还原耦合在一起。当与部分硝化作用结合使用时，可分别减少63%和100%的曝气需求和外部有机碳消耗[2]。然而，由于AnAOB生长缓慢，成熟的anammox污泥成为宝贵的生物质资源，一旦其活性下降，很难迅速替代[3]。在工程实践中，这种生物质在储存、运输、季节性停机、设备维护或意外操作中断期间可能会长时间处于饥饿状态，导致重新使用前活性显著降低[4][5]。因此，开发有效的饥饿后复活策略对于生物质再利用和反应器重启至关重要[3][4][5]。有效复活长期处于饥饿状态的污泥对于保持成熟生物质的再利用价值并恢复反应器处理能力至关重要。此外，长期饥饿不仅影响硝氮去除活性，还影响微生物群落结构、电子传输链和代谢网络[6][7]。因此，复活过程不仅仅是简单地补充底物，还需要协调恢复多种细胞和群落层面的功能。阐明这一恢复过程对于制定针对性的复活策略、缩短反应器重启时间以及提高anammox技术的运行稳定性非常重要。亚硝酸盐对anammox代谢至关重要，但对于饥饿状态下的污泥来说可能会产生抑制作用。在饥饿条件下，AnAOB的细胞内能量储备减少，影响anammoxosome膜两侧的有效质子梯度维持。然而，降低初始NO2–-N浓度可以在复活初期缓解底物抑制，但这可能不足以恢复长期的运行稳定性[8][9]。 以往关于饥饿后复活的研究确定了几个与活性恢复相关的生物学和材料因素。Choi等人[4]将长期保存的anammox微生物的复活效率与活化能、血红素c含量和胞外多聚物（EPS）特性联系起来。Ji和Jin[5]发现保存后污泥条件的差异会影响后续的复活性能、物理性质和微生物活性。Zhang等人[10]进一步证明，颗粒活性炭通过促进EPS分泌、基础代谢活性以及微生物和群落的恢复，有助于anammox系统的康复。总体而言，这些研究表明，饥饿后的恢复涉及细胞代谢、EPS特性、颗粒特性和微生物群落的重建[4][5][10]。然而，现有研究通常将复活过程作为一个整体来评估，未能充分解析底物调节和功能性材料添加在不同阶段的具体作用。
anammox代谢严重依赖于含有血红素c的蛋白质和膜结合的电子传输链，这些成分对能量守恒和氮转化至关重要[11][12][13][14]。除了细胞内的电子传输外，EPS中的氧化还原活性组分还可以可逆地接受和捐赠电子，从而促进微生物聚集体内的电子转移（EET）[15][16][17]。因此，重建EPS介导的电子交换能力可能对恢复长期饥饿状态下anammox污泥的代谢活性和结构稳定性非常重要。黄铁矿是一种地球上丰富的铁硫化物矿物，具有导电性、吸附能力和氧化还原活性表面[18]。最近的一项研究还表明，黄铁矿可以缓解饥饿压力，缩短恢复延迟，并改变EPS、EET、微生物演替以及与氮和硫相关的功能基因[19]。不过，这些研究主要评估了功能性材料作为抗压性、恢复能力或氮去除性能的整体促进剂的作用。尚不清楚黄铁矿的主要效益是在初始活性恢复期间还是在对氮负荷增加和HRT缩短的后续运行期间发挥作用的。
为了解决这一差距，我们假设低NO2–-N浓度调节和黄铁矿添加在污泥恢复过程中会起到互补而非完全协同的作用。低NO2–-N浓度调节预计可以缓解短暂的亚硝酸盐抑制并支持初始复活，而黄铁矿的相关效应则通过EPS介导的电子交换能力和颗粒稳定性在后续运行中进行研究。进行了短期批次实验，以比较饥饿污泥对三种NH4+-N:NO2–-N比例的初始响应，并选择适合后续连续流操作的初始底物比例。基于批次实验结果，构建了添加和未添加黄铁矿的连续流反应器，并分别运行了127天，以比较它们的氮去除性能和运行稳定性。同时，通过整合EPS、电子传输相关指标、细胞内Fe2+水平、微生物群落演替和功能基因变化，分析了黄铁矿在复活后期维持稳定运行中的潜在作用。这种分阶段设计的主要优势在于区分了低NO2–-N支持的初始复活和增加氮负荷及缩短HRT下的黄铁矿相关后的稳定性，而不是将这两种干预措施视为单一的、未区分的增强策略。
章节片段
黄铁矿的来源和特性
天然黄铁矿颗粒经过球磨和筛分，得到粒径为75–180 μm的颗粒，然后在使用前置于厌氧条件下储存。使用X射线衍射仪（XRD；Bruker D8 Advance，德国）分析了其成分，确认该材料为高纯度晶体黄铁矿，主要由FeS2组成（图S1）。
anammox污泥的批次实验
种子污泥取自中国河南郑州的一个已废弃的anammox反应器，该反应器之前用于处理畜禽废水
批次实验结果
进行了短期批次实验，以确定在黄铁矿存在的情况下，初始恢复期间最佳的NH4+-N与NO2–-N比例，并阐明底物化学计量比和黄铁矿添加对饥饿anammox污泥复活的协同效应。如图1所示，在所有测试条件下，SAA（悬浮活性氨）在最初两天内迅速增加。在测试的条件中，NH4+-N与NO2–-N的比例为1:0.5时产生了最高的短期SAA
结论
本研究提出了一种利用黄铁矿辅助、低NO2–-N浓度的策略来复活长期饥饿的anammox污泥。48小时的批次实验确定，在三种测试条件中，NH4+-N与NO2–-N的比例为1:0.5是最佳的初始底物比例。在127天的连续流运行期间，R1在早期恢复阶段没有明显优势，但在恢复后期表现出较小的时间变异性和较低的性能下降
CRediT作者贡献声明
Xueting Wang：撰写、审阅与编辑，实验设计。 Bo Dang：方法学研究，数据管理。 Qiong Guo：撰写、审阅与编辑，项目管理，资金获取，概念化。 Hongli Li：撰写、审阅与编辑，初稿撰写，项目管理。 Xiaoyi Yu：概念化，方法学研究，可视化，初稿撰写。 Yiping Ren：方法学研究，数据管理。
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能会影响本文所述的工作。
致谢
本研究得到了中国国家自然科学基金（编号52400063）、中国博士后科学基金（编号2023M743176）以及国家水质控制与绿色资源回收重点实验室（编号NO.PCRRF26004）的支持。
