天然铁矿物调控生物电化学系统中的反硝化途径：利用电化学、胞外聚合物和宏基因组学建立的证据链

《Journal of Environmental Sciences》：Natural iron minerals modulate denitrification pathways in bioelectrochemical systems: An evidence chain established using electrochemistry, extracellular polymeric substances and metagenomics

　　

• •
  在 200 mA/m² 电流密度下，所有氧化铁矿物均促进了BES中的硝酸盐去除。
• •
  赤铁矿富集了关键反硝化基因并增强了途径潜力。
• •
  磁铁矿表现出强烈的阴极响应并增强了电子传递潜力。
• •
  菱铁矿表现出亚硝酸盐转化不完全且 nosZ 丰度较低。

引言

地下水是水资源的重要组成部分，在全球许多地区是工业、农业和城市用水的主要来源（Borah 等，2025；Scanlon 等，2023）。快速的工业化和集约化的农业加剧了地下水中的硝酸盐污染（Borah 等，2025；Jia 和 Qian，2025；Su 等，2026）。在人体中，硝酸盐可引发高铁血红蛋白血症，并具有潜在致癌性（通过亚硝胺的形成），严重威胁生态安全和人类健康（Boasiako 等，2023；Picetti 等，2022；Su 等，2026）。值得注意的是，许多地区地下水中的硝酸盐浓度超过了世界卫生组织的导数值（50 mg/L），引起了越来越多的关注（Elwood 和 Werf，2022；Zhou 等，2024b）。因此，为支持地下水修复和安全供水，迫切需要开发高效、稳健且环境友好的硝酸盐去除技术（Boasiako 等，2023；Mo 等，2025；Xu 等，2022；Zhang 等，2024）。

生物反硝化兼具成本效益和环境兼容性方面的优势（Bi 等，2022；Ortega-Martínez 等，2024）。然而，在低碳氮比（C/N）条件下，传统异养反硝化通常需要外源有机碳，这会增加成本并提升中间产物积累以及出水中残留有机物的风险（Jiang 等，2022；Wu 等，2022）。生物电化学系统（BES）通过施加电场提供电子，被认为是去除低碳环境中硝酸盐的有前景技术（Ortega-Martínez 等，2024）。BES 可促进微生物在阴极摄取电子以驱动氢营养反硝化，并与异养反硝化协同作用（Guo 等，2023；Wang 等，2021）。此外，电刺激可能调节微生物代谢以及关键反硝化酶的活性。然而，地下水 BES 的进一步改善受限于多个相互耦合的瓶颈。首先，地下水低电导率、明显的阴极传质阻力和电极钝化共同降低了电子传递效率和电子利用率（Tang 等，2024）。其次，电子供给与阴极微环境之间的不匹配可能导致亚硝酸盐积累和潜在的 N₂O 排放（Wang 等，2021；Zhou 等，2024a），而与硝酸盐异化还原为铵（DNRA）之间的竞争可能使氮通量转向 NH₄⁺ 的积累（Cecconet 等，2022）。因此，在缓解电子传递限制的同时提高反硝化的选择性和效率，仍然是一个核心的研究挑战。

铁是地壳中最丰富的过渡金属（约 5%）（Xu 等，2025）。因此，多种铁矿物普遍存在于地下水环境中，主要以氧化铁和硫化铁的形式存在（Liu 等，2019）。含氧铁矿物在环境过程研究中具有重要意义，表现出显著的氧化还原活性和半导体特性（Sander 等，2015；Shi 等，2016）。例如，赤铁矿（Fe₂O₃）可通过微生物增强 NO₃^? 与 Cr(VI) 的耦合还原（Hu 等，2021）。也有报道称其能促进共生菌群中的电子交换和代谢耦合，从而加速苯甲酸的降解和产甲烷作用（Aromokeye 等，2021；Zhuang 等，2015）。磁铁矿（Fe₃O₄）可通过加强种间电子传递来调节反硝化微生物群落结构和代谢分工（Kong 等，2024；Sun 等，2025）。铁矿物还可作为电子供体或参与 Fe(II)/Fe(III) 氧化还原循环，驱动依赖硝酸盐的 Fe(II) 氧化和基于铁的化能无机营养反硝化，从而促进硝酸盐还原（Chang 等，2025；Jakus 等，2021）。据报道，针铁矿和水铁矿在生物电化学系统中可促进反硝化，同时减少 NH₄⁺ 积累或抑制 DNRA（Kong 等，2025；Liu 等，2025），这表明铁矿物可将硝酸盐还原导向反硝化途径。因此，将天然氧化铁矿物纳入 BES 可能产生矿物-电场联合作用，从而增强反硝化。然而，大多数现有研究依赖于简化的微生物群落或合成矿物。因此，在施加电场下天然铁矿物所赋予的益处知之甚少（Jiang 等，2025；You 等，2025）。此外，对不同成分天然铁矿物（及其潜在机制）之间的系统比较仍然匮乏。

因此，在本研究中，我们选取了三种常见的天然含氧铁矿物（赤铁矿、磁铁矿和菱铁矿），并评估了它们在 BES 中对反硝化的影响。使用间歇反应器在受控条件下鉴定矿物特异性效应和机制，为未来连续流地下水修复研究提供依据。结合电化学分析、胞外聚合物（EPS）剖析、宏基因组学和矿物表面表征（形貌和元素组成变化），我们揭示了矿物特异性的电化学响应以及相关的微生物和遗传变化，为在减轻二次污染的同时提高硝酸盐去除提供了机制指导。

章节摘要

实验用水

据报道，受污染地下水中的硝酸盐浓度范围为略高于 10 至约 100 mg N/L。因此，本研究选取 50 mg N/L 作为代表性的中间浓度（Han 等，2016；Li 等，2024）。合成硝酸盐污染水（50 mg N/L）的制备如下：将 0.304 g NaNO₃ 溶解于 1 L 去离子水中，随后加入 0.256 g CH₃COONa 和 0.044 g KH₂PO₄，以向微生物提供碳和磷（P）

反硝化性能

ES 中的 NO₃^?-N 浓度保持在 47.74 ± 0.13 mg N/L，表明在 200 mA/m² 电流密度下，仅靠电力对 NO₃^?-N 去除的影响很小（Laidin 等，2025）。额外对照显示，铁矿物对硝酸盐的吸附可忽略不计（图 S2），电化学硝酸盐去除有限，且在添加矿物后无明显增强（图 S1a-c）。在无电刺激的情况下，铁矿物促进了微生物硝酸盐还原，但导致了 NO₂^?-N

结论

天然铁矿物重塑了 BES 中的电子传递和反硝化，形成了机制上存在差异的途径。赤铁矿表现出最高的硝酸盐去除速率常数（k = 0.0471 ± 0.0014 h^?1），并减少了 NH₄⁺-N 的积累。这可能与 TB-EPS 及其相关腐殖质类组分的增强、最高的平均硝酸盐还原酶活性，以及 narG、narK 和 nosZ 的较高丰度有关，共同表明有利的条件和功能

CRediT 作者贡献声明

曹一恒：撰写——初稿，方法学，调查，数据整理，概念构思。李嘉宇：资源，调查。李绪维：资源，调查。杨乔：方法学。刘文武：监督，方法学，资金获取。杨辰：撰写——审校与编辑，监督，方法学，资金获取。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的竞争性经济利益或个人关系，这些关系可能影响到本文所报告的工作。

致谢

本工作由山西省基础研究计划（编号 202303021222051）、现代农业产业技术体系专项基金（编号 2025CYJSTX18）、中国山西农业大学青年科技领军人才计划（编号 2024JQPYGC03）、山西农业大学科技创新基金（博士科研启动）（编号 2021BQ94）以及山西省优秀博士研究奖（编号

曹一恒|李嘉宇|李绪维|杨乔|刘文武|杨辰