锰氧化还原驱动的流化床生物膜反应器中强化脱氮与锰去除：胞外聚合物的作用

《Environmental Research》：Enhanced nitrogen and manganese removal in a manganese redox-driven moving bed biofilm reactor: role of extracellular polymeric substances

　　

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  MBBR用于同步转化NO₃^--N和NH₄⁺-N。
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  胞外聚合物（EPS）介导的锰氧化还原反应促进了EPS的产生并影响其特性。
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  利用EPS、电子传递系统活性（ETSA）和酶活性评估生物膜性能。
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  锰氧化还原循环增强了生物膜内部的氧化还原应激信号。
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  加锰生物膜表现出强烈的蛋白质合成响应。

引言

与包括硝化-反硝化在内的传统活性污泥法相比，基于锰的流式生物膜反应器（MBBR）脱氮技术被广泛认为是一种基于悬浮生物膜的新型可持续环境技术（Wang等，2022）。锰（Mn）作为常见的过渡金属之一，在全球氮循环中发挥着至关重要的作用。先前的研究发现，当Mn(II)作为电子供体时，同步脱氮除锰可以减少碳源的消耗需求（Feng等，2025）。这是因为锰氧化偶联反硝化细菌利用Mn(II)氧化产生一定的还原力来驱动硝酸盐还原（Feng等，2026）。此外，Mn(II)可以形成结晶生物源锰氧化物（BioMnOx），并作为电子供体增强生物反硝化和除锰效果（Liu等，2025a）。Mn(II)/MnO₂（5-10：25-50 mg·L^-1）可通过形成锰氧化还原反应同时提高电子传递速率和微生物代谢途径，这有利于促进反硝化反应（Zhu等，2025）。因此，Mn(II)在增强生物反硝化方面起着非常重要的作用。

人们容易忽视的是，Mn(II)可以刺激微生物分泌更多的胞外聚合物（EPS），而EPS中的蛋白质（PN）和多糖（PS）可以通过生物化学反应和螯合反应延缓或阻止Mn(II)进入微生物体内（Hu等，2024）。重要的是，EPS可以保护微生物免受外部金属离子的损害。此外，在没有外部碳源的情况下，微生物可以分解EPS以满足自身生长的能量需求，尤其是PS（Mu等，2026）。当微生物分泌的EPS转化为碳源时，这种转化过程可以促进反硝化（Hu等，2024）。对于EPS，较高的PN/PS比值可以增强活性污泥中细菌的聚集，并能增加活性污泥中颗粒的稳定性（Xu等，2018）。生物反应器中的氨氧化细菌可以通过重组EPS（并优化PN/PS比值）来增强锰结合和电子传递，从而维持脱氮，包括增加可溶性EPS（S-EPS）和紧密结合EPS（TB-EPS）的比例（Zhu等，2026a）。先前的研究表明，金属离子（如Mn(II)）可以激活胞外电子传递链并诱导EPS的分泌（Li等，2022）。同时，EPS组分的比例进一步反映了微生物的结构和功能调节。TB-EPS作为EPS中最稳定的细胞基质，与微生物聚集体的形成和电子传递密切相关（Wang等，2020）。由此可以得出结论，活性污泥中EPS的产生通常反映了微生物对外部环境胁迫（包括Mn(II)）的响应，这是污泥稳定性的关键指标，表明这种胁迫响应在MBBR中同样重要。因此，全层次的EPS可以影响微生物系统的整体稳定性（Wang等，2020）。先前的文献已报道了EPS在反硝化细菌聚集中的作用，主要关注细菌EPS与其他微生物群落EPS之间的差异或EPS特征（Hou等，2015）。EPS是一种分泌在细胞表面的大分子物质，在生物膜的形成和稳定性以及细胞聚集方面起着至关重要的作用。现有研究缺乏EPS介导锰氧化还原在脱氮过程中的作用。此外，先前的研究尚未考虑在MBBR中存在或不存在EPS时锰氧化还原驱动脱氮的特性。

本研究旨在确定EPS在MBBR营养物和Mn(II)去除过程中锰氧化还原循环的作用。通过设置两组添加和不添加Mn(II)的MBBR，重点研究了以下内容：(i) 在锰氧化还原循环存在或不存在的情况下，氮、Mn(II)和COD去除性能差异；(ii) EPS的荧光特性和浓度，以及EPS功能（即主要化学键/官能团和蛋白质二级结构）；(iii) 生物膜的细胞色素-c（Cyt-c）、活性氧（ROS）、细胞凋亡和酶活性分析，包括酶活性与EPS之间的相关性；(iv) 生物膜形态特征、生物膜电化学特性和电子传递系统活性（ETSA），包括ETSA与PN/PS比值之间的相关性；(v) 生物膜的转录组学特征。这些见解有望指导锰氧化还原系统在含氮废水处理中的应用。

各部分摘要

MBBR的搭建与运行

基于先前的实验（Ye等，2026），本研究进一步研究了连续流MBBR系统在处理模拟废水时对氮和锰的去除性能，水力停留时间（HRT）为10 h，碳氮比（C/N）为5，在添加和不添加Mn(II)的条件下进行实验（图1）。连续流MBBR由有机玻璃制成，有效容积为1.4 L，填料填充密度为50%。K1填料的比表面积为

流式生物膜反应器的营养物和Mn(II)去除性能

如图2（a、b）所示，与R2相比，R1在相同条件下表现出较好的脱氮效果。具体而言，R1和R2中的平均NH₄⁺-N去除率分别达到95±2%和78±1%。同样，总体脱氮效果也得到了提升，R1出水总氮（TN）浓度为3±0.4 mg·L^-1，显著低于R2的9.0±0.8 mg·L^-1。在添加和不添加锰的条件下，MBBR出水中NO₃^--N的平均浓度为

结论

与R2相比，R1通过锰氧化还原循环加锰后总氮（TN）去除率提高了1.3倍。EPS介导的锰氧化还原可能涉及生物膜的形成，包括C=O键的富集、类腐殖质组分的出现以及β-折叠蛋白质结构的增加，这些促进了营养物的去除。EPS中的PN组分可能将还原电荷转移到包括氧化还原酶和电子穿梭分子在内的胞外电子受体

CRediT作者贡献声明

金婉莹：形式分析。陈明辉：形式分析。邵思诚：初稿撰写、项目管理。吴向伟：监督指导、项目管理。邱冰：资源提供。钟金凤：审阅与编辑、监督指导。叶智清：数据整理。张兆仙：资源提供

未引用参考文献

Liu和Shao，2025；Liu等，2025；Ye和Shao，2026。

利益冲突声明

作者声明不存在可能影响本文报告工作的已知竞争性经济利益或个人关系。

致谢

本研究获得安徽省高校自然科学研究重点项目（编号：2024AH050453）和安徽省自然科学基金项目（编号：2408085QD117）的经费支持。

邵思诚|金婉莹|陈明辉|叶智清|张兆仙|邱冰|钟金凤|吴向伟