铁形态差异化调节藻菌颗粒污泥的结构稳定性、污染物去除及微生物群落组装

《Journal of Environmental Chemical Engineering》：Iron speciation differentially regulates structural stability, pollutant removal, and microbial community assembly in microalgal-bacterial granular sludge

　　

摘要

本研究系统研究了三种铁物种（C₆H₅FeO₇、NaFeEDTA 和 FeSO₄）对微藻 - 细菌颗粒污泥（MBGS）系统发育、污染物去除性能、胞外聚合物（EPS）特性、微生物群落演替及功能基因的影响。结果表明，MBGS 性能与铁物种形态及操作推断的铁生物有效性密切相关。NaFeEDTA 被确定为测试条件下最有利的铁源，因为其强螯合作用维持了持续的溶解/络合铁供应，刺激了亲水性 EPS 官能团，并有利于蓝细菌以及 EPS 和有机物相关细菌类群（拟杆菌门和绿弯菌门）以及碳（acs）和氮同化（gdhA、glnA）相关基因。这些响应表明，而非直接证明，藻菌代谢耦合增强，从而实现了较高的 COD 和 NH₄⁺-N 去除效率。FeSO₄ 主要通过化学沉淀实现了较高的 PO₄^3--P 去除，但导致颗粒松散；而 C₆H₅FeO₇ 促进了与反硝化相关的响应，但以颗粒聚集为代价。这些发现表明，比较可溶性和螯合铁物种为平衡 MBGS 稳定性、去除效率和微生物功能潜力提供了实际指导。

引言

全球工业化加剧了资源稀缺和变暖 [1]，[2]，推动了低碳污水处理的需求 [3]。微藻 - 细菌颗粒污泥（MBGS）依赖藻菌协同作用进行高效的污染物去除 [4]。微藻的光合作用为细菌提供氧气和能量 [5]，[6]，而细菌为藻类提供代谢物 [7]，从而实现去除和资源回收 [8]。MBGS 的实际应用面临瓶颈：启动时间长、进水变化下的不稳定性、对微量营养素影响了解不足，以及难以维持颗粒的长期完整性。

铁对微藻和细菌至关重要。在微藻中，它驱动光合作用 [9] 和氮同化 [10]，[11]；缺乏会降低光合作用效率 [12]。在细菌中，铁参与中心电子传递 [13] 和 DNA 合成 [14]。铁的生物有效性在光 - 暗期之间变化：光照驱动光合作用；黑暗支持呼吸作用。螯合/释放动力学决定了其对 MBGS 的阶段性影响。铁还影响 EPS [15]，这对生物膜形成 [16] 和颗粒稳定性 [17]，[18] 至关重要。在活性污泥中，铁改善了沉降性 [19]，[20]、颗粒化 [21] 和污染物去除 [22]。

然而，MBGS 中的铁研究很少。现有研究表明铁促进颗粒化、营养去除和群落变化 [23]，[24]，[25]。零价铁或 Fe₃O₄ 纳米颗粒与活性炭结合，通过缓慢释放 Fe²⁺ 和表面氧化还原反应增强结构稳定性并降低毒性 [26]，[27]。可溶性铁盐通过离子相互作用和沉淀作用更快，导致不同的效果。铁生物有效性作为控制 MBGS 形成和稳定性的关键开关 [28]，[29]，在液相、EPS 和细胞内库中重新分布 [30]。与通过颗粒介导的电子传递、吸附、腐蚀和缓慢释放铁起作用的纳米/零价铁不同，可溶性/螯合铁通过快速的离子相互作用起作用。尽管铁生物有效性已得到广泛认可，但缺乏对铁化学形态（螯合强度、释放动力学、沉淀趋势）的系统比较。因此，我们的创新之处在于比较可溶性/螯合物种及其对 MBGS 的不同调节作用。

为了弥补这一空白，我们系统地比较了三种铁源（C₆H₅FeO₇、NaFeEDTA 和 FeSO₄）对 MBGS 性能的影响，包括颗粒形态、粒径、沉降性、EPS 组成、COD、NH₄⁺-N 和 PO₄^3--P 去除，以及通过宏基因组学的微生物群落和功能基因。我们承认缺乏无铁和仅 EDTA 对照是一个局限性。本研究为优化 MBGS 中的铁源用于污水处理提供了理论基础。

章节摘要

合成废水

合成废水的制备化学需氧量（COD）、NH₄⁺-N 和 PO₄^3--P 浓度分别为 400 mg/L、30 mg/L 和 5 mg/L。铁的投加量为 2 mg Fe/L（基于元素铁），并相应计算了 FeSO₄、C₆H₅FeO₇ 和 NaFeEDTA 的质量。选择此投加量作为低剂量比较水平，足以区分铁物种形态效应，同时避免通常在更高铁浓度下观察到的过度沉淀或毒性

持续的铁生物有效性维持了致密的颗粒形态和蓝细菌生长

颗粒形态和蓝细菌生长的差异可能归因于三种铁物种不同的化学行为，进而影响其对 MBGS 联合体的生物有效性。在三种来源中，NaFeEDTA 维持了颗粒结构完整性和蓝细菌生长，而 C₆H₅FeO₇ 和 FeSO₄ 促进了丝状蓝细菌的过度生长（图 1a-c）。在 NaFeEDTA 组中，MBGS 颗粒表面均匀覆盖着

结论

本研究比较了三种铁源（C₆H₅FeO₇、NaFeEDTA、FeSO₄）对微藻 - 细菌颗粒污泥（MBGS）性能的影响。实验表明，NaFeEDTA 增加了亲水性 EPS 基团（C-OH、C=O）的比例，维持了较高的 VSS 和颗粒稳定性，富集了蓝细菌以及 EPS/有机物相关细菌，并在测试条件下实现了较高的 COD 和 NH₄⁺-N 去除。FeSO₄ 通过化学沉淀实现了最高的 PO₄^3--P 去除，但

CRediT 作者贡献声明

吉滨：写作 - 审阅与编辑，概念化。齐小晨：写作 - 原稿，调查，形式分析，数据管理。史宇婷：写作 - 审阅与编辑，监督。童灿：写作 - 审阅与编辑，概念化。黄文静：调查，形式分析，数据管理。

写作过程中生成式人工智能和人工智能辅助技术的声明

在准备本工作期间，作者使用了 ChatGPT 和 DeepSeek 以提高可读性。使用此工具后，作者根据需要对内容进行了审阅和编辑，并对出版物的内容承担全部责任。

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可能影响本论文报告的工作。

致谢

本研究由中国国家自然科学基金（52270048）资助。

齐小晨 | 史宇婷 | 童灿 | 黄文静 | 吉滨

武汉科技大学城市建设学院水与污水处理工程系，中国武汉 430065