电气石通过一种包含吸附富集、基因调控和电子转移的三重机制，提升了部分硝化/反硝化（Anammox）系统中氮的去除效率

《Bioresource Technology》：Tourmaline enhances nitrogen removal efficiency in partial Nitrification/Anammox systems via an adsorption Enrichment–Gene Regulation–Electron transfer triple mechanism

　　

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  与对照组相比，PN/Anammox_Tur工艺的氮去除率（NRE）提高了14.77%。
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  理论分析阐明了Tur在反应表面的吸附位点和作用机制。
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  Tur增强了细胞膜的稳定性并提高了基因表达量。
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  Tur在PN和Anammox的电子传递链中起到了不同的作用。
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  揭示了PN/Anammox_Tur工艺效率提升的机制。

引言

部分硝化（PN）和厌氧氨氧化（Anammox）工艺被视为生物氮去除的创新技术，因为它们具有碳中性操作、产生的污泥较少且能耗较低（Zhu等人，2023年）。然而，PN在处理低氨废水中的应用受到一些技术挑战的阻碍，包括氨氧化菌（AOB）生长速度慢和生物量产率低（Li等人，2023b年），以及AOB、亚硝酸盐氧化菌（NOB）和溶解氧之间所需的微妙平衡。同时，Anammox工艺由厌氧氨氧化菌（AnAOB）驱动（Chen等人，2024a年；Li等人，2023年；Yang等人，2023年），通过直接将NH₄⁺和NO₂^–转化为N₂（Wang等人，2023年），但面临操作限制，如亚硝酸盐供应不足、生长周期长（11-14天）（Adams等人，2020年；Ren等人，2022年；Wu等人，2022年；Zhang等人，2023年），以及AnAOB对环境的高敏感性（Lin等人，2020年；Zhang等人，2022年）。这些因素共同阻碍了微生物活动的持续性和工艺的可扩展性（Cao等人，2017年；Wang等人，2023年）。在主流的城市污水处理中，氨浓度较低的问题进一步加剧了这些问题，因为这阻碍了NOB的有效抑制（Wang等人，2022b年）和稳定的亚硝酸盐积累，从而限制了集成PN/Anammox系统的实际应用。当前的研究致力于通过调节游离氨（FA）、游离亚硝酸（FNA）（Li等人，2018年）和溶解氧（DO）（Xia等人，2024年）来控制亚硝酸盐积累，并通过引入外源添加剂来优化电子传递，以提高氮去除率。最近的研究表明，利用功能性材料调节微生物微环境是一种提高颗粒污泥稳定性的有前景策略（Wu等人，2023年；Zheng等人，2025年），从而为提升PN/Anammox的性能提供了新的途径。

电气石（Tur）是一种天然矿物，具有自发电极化、远红外线辐射和释放微量元素的能力（Fu等人，2024年；Liang等人，2021年；Zhu等人，2022年）。这些性质理论上使Tur能够通过微电场调节和可控的元素释放来增强微生物代谢（Gao等人，2022年）。它调节表面电荷的能力（Liu等人，2013年；Wang等人，2013年）有助于金属阳离子的吸附（Chen等人，2020年；Nakamura和Kubo，1992年），参与类似Fenton的反应进行有机物质降解（Liang等人，2021年），并优化好氧颗粒污泥系统中的微生物群落结构（Yuan等人，2024a年）。值得注意的是，Tur表现出出色的硝酸盐去除效率，通过2.23倍的NO₃?去除率提升实现了99%的消除效果（Fu等人，2024年）。这种矿物的内在弱表面电场促进了细胞外电子传递（Ruan等人，2010年），而其远红外线辐射提高了溶解氧（DO）水平（Liang等人，2006年；Zhang等人，2015年），可能对PN工艺有益。然而，目前Tur的应用主要涉及复杂复合载体的合成（Tan等人，2018年），这增加了工艺的复杂性和运营成本。尽管先前的研究已经证实了Tur在增强传统异养反硝化作用和缩短反应时间方面的有效性，但其在严格自养AnAOB上的调节机制以及独特的肼介导的电子传输链仍有待探索。因此，关于Tur在PN/Anammox系统中氮去除机制的不确定性是其实际应用的关键障碍。旨在最小化外部碳添加的先进氮去除策略依赖于精确的代谢调节和内源性电子传递。同样，在不含外部有机碳的自养PN/Anammox系统中，最大化电子传递效率和无机碳同化仍然是核心挑战。

本研究解决了自养氮去除系统中的关键问题——即PN中亚硝酸盐积累不稳定和Anammox启动时间过长——通过开发一种Enhanced PN/Anammox耦合工艺，重点研究了电气石在各个阶段的角色。利用Tur的独特性质（表面电荷效应、自发电极化、远红外线辐射和微量元素释放）来改善系统性能。多种分析方法，包括16S rRNA测序、密度泛函理论（DFT）计算和宏基因组分析，系统地阐明了Tur对微生物群落结构、底物特异性吸附、功能基因表达、代谢途径重建和电子传输链优化的调节机制。这些发现为设计高效Tur增强型生物氮去除系统奠定了理论基础，推动了碳中性框架下的可持续废水处理。

章节摘录

PN/Anammox反应器装置设置和操作策略

图S1a展示了PN/Anammox反应器的示意图和操作参数。这种两阶段配置将PN所需的周期性好氧环境与Anammox所需的厌氧环境物理分离。PN工艺是在一个有效直径为14厘米、高度为40厘米、工作体积为5升的序批反应器（SBR）中进行的。Anammox工艺则在一个上流式厌氧污泥垫（UASB）反应器中进行。

耦合系统的效率评估

XRD分析确定Tur是一种schorl型矿物（Wang等人，2014年），其化学式为NaFe₃Al₆(BO₃)₃Si₆O₁₈(OH)₄（Yuan等人，2024a）。Tur通过调节溶液性质（Wang等人，2015年）和提高溶解氧浓度（Yuan等人，2024a）表现出双重功能。建立了两个平行系统：一个不含Tur的对照组（PN_0/Anammox_0）和一个添加了优化量Tur的系统（PN_Tur/Anammox_Tur，8克/升Tur）。60天的运行过程分为三个阶段：

结论

本研究成功构建了PN/Anammox_Tur耦合工艺，并揭示了Tur提高氮去除率的机制。主要结论如下：(1) PN/Anammox_Tur工艺的氮去除率相对提高了14.77%。(2) DFT分析揭示了Tur表面活性位点对代谢底物的具体吸附机制。(3) 宏基因组学表明Tur改变了代谢基因网络和途径的定向重组。(4) Tur的微电场对...

CRediT作者贡献声明

Ren Shuoqi：撰写——原始草稿，调查，数据管理，概念构思。Yuan Mu：撰写——原始草稿，调查，数据管理，概念构思。Qiu Shan：监督，项目管理，资金获取。Jing Baojian：可视化。Fu Mengqi：监督，软件开发。Jiang Zhongqi：可视化。Deng Fengxia：监督，项目管理，资金获取。

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报道的工作。

致谢

作者衷心感谢“芯片废水高效处理和元素回收的关键技术研究与产业化”（CG22007）、中国国家重点研发计划、“食品废弃物和厨余垃圾的靶向生物转化与污染控制技术”（2023YFC3905604）、中国国家自然科学基金-黑龙江省区域创新发展联合基金（U23A20674）和春艳项目的支持。

Shuoqi Ren|Mu Yuan|Shan Qiu|Baojian Jing|Mengqi Fu|Zhongqi Jiang|Fengxia Deng