磷：解锁氢氧化细菌从矿井废水中回收铵并转化为微生物蛋白质潜力的关键

《Bioresource Technology》：Phosphorus as a key to unlock the potential of hydrogen-oxidizing bacteria for ammonium recovery from mining wastewater into microbial protein

　　

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  研究证实，氢氧化细菌（HOB）能够从真实的采矿废水中回收NH₄⁺-N并将其转化为微生物蛋白（MP）。
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  磷（P）对于利用矿山废水中的NH₄⁺-N生产MP至关重要。
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  富含磷的Paracoccus菌株增强了H₂的氧化能力和氮的同化作用。
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  镁（Mg）、钾（K）和磷（P）之间的协同作用加速了NH₄⁺-N的回收。
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  在生产MP的过程中，氢氧化细菌还可以同时回收稀土元素。

引言

硫酸铵被广泛用作从稀土矿石中浸出稀土元素（REEs）的浸出剂（Huang et al., 2021）。然而，这种方法会产生大量富含NH₄⁺-N的废水，导致严重的环境污染，包括水体富营养化和生态毒性（Guo et al., 2025）。传统的研究主要集中在通过物理、化学和生物方法去除或转化这些废水。物理化学方法包括空气萃取、膜吸附、离子交换和吸附、化学沉淀以及催化氧化。然而，这些方法通常运行成本较高，化学消耗量大，并且容易引发二次污染（Yan et al., 2025）。目前，生物修复作为一种环保且经济高效的替代方法，已被用于处理富含NH₄⁺的稀土采矿废水（Guo et al., 2025）。生物过程主要包括传统的硝化-反硝化过程和厌氧氨氧化。Deng等人发现，经过改性的生物炭可以增强稀土尾矿浸出液的厌氧氨氧化处理效果，氮去除率从70%提高到92%（Deng et al., 2026）。Li等人开发了一种电硝化与生物反硝化相结合的处理工艺，用于处理稀土矿场的NH₄⁺废水，总氮去除率可达98%（Li et al., 2024, Li et al., 2024）。然而，这些处理过程最终将活性氮（NH₄⁺-N）转化为惰性氮气（N₂），未能回收NH₄⁺-N这一宝贵资源，导致大量氮元素进入环境。

随着人们对营养物质去除方法的经济和环境成本的日益关注，近年来回收技术受到了更多重视，因为它们能够降低处理费用并防止过量的营养物质流失（Beckinghausen et al., 2020）。在之前的研究中，从垃圾填埋场渗滤液中的NH₄⁺-N成功用于合成微生物蛋白（MP）（Yang et al., 2021）。将这一策略应用于稀土采矿废水，可以同时实现NH₄⁺-N的处理和蛋白质的生产。不过，电化学回收后进行微生物发酵的两步法增加了工艺复杂性和能耗。因此，有必要探索直接利用NH₄⁺-N生产MP的可行性。藻类、真菌、酵母和细菌都可以用于生产MP（Baji? et al., 2022），并且不受海洋来源、土地利用和气候变化的影响，因此它们是很有前景的蛋白质来源（Goonesekera et al., 2022）。其中，细菌由于生长速度快和蛋白质含量高而具有更大优势（He et al., 2024）。氢氧化细菌（HOB）作为典型的MP生产细菌，因其氨基酸组成均衡和高蛋白质含量而受到广泛关注，显示出良好的商业前景（Caliskan et al., 2026, Rovira-Alsina et al., 2025）。HOB利用H₂作为能源，CO₂作为碳源，O₂作为电子受体，能够在液体环境中从多种氮源合成细胞物质，并通过Calvin-Benson-Bassham（CBB）循环固定CO₂（Humpen?der et al., 2022）。这一特性使HOB能够同时实现废水的氮回收、碳固定和蛋白质生产。

先前的研究表明，废水中存在的大量和微量营养素及微量元素使其成为直接培养MP的富营养介质（Khoshnevisan et al., 2022, Tsapekos et al., 2019）。然而，目前关于HOB培养和MP生产的大多数研究都是在营养成分已确定的合成培养基中进行的（Li et al., 2024, Li et al., 2024, Zhang et al., 2025）。直接使用废水进行HOB培养的有效性仍有待进一步研究。此外，与营养成分均衡的合成培养基不同，废水中某些元素可能过量或缺乏。目前尚不清楚这些元素是否会影响HOB的代谢活性，进而影响废水资源的利用效率。

因此，本研究聚焦于一种典型的工业废水——具体来说，是一家稀土矿业公司的采矿废水，旨在解决HOB在实际应用中的性能限制。为此，本研究进行了以下工作：（1）评估使用HOB从真实采矿废水中回收氮的可行性；（2）通过比较分析，将废水中的成分分为两类：过量元素组（S、Ca）和缺乏元素组（Mg、K、P），并研究它们各自的影响；（3）结合微生物群落结构和功能预测，从生态和代谢角度解释性能变化的原因。

节选

原料和接种物

本研究使用了两种液体培养基：（a）HOB培养基；（b）从江西省赣州市的一家矿业公司收集的真实稀土采矿废水。接种物来自实验室中的长期混合营养反应器（详细信息见补充材料）。长期运行的反应器中使用的HOB培养基（每升）成分如下：2.3克KH₂PO₄、2.9克Na₂HPO₄·2H₂O、0.5克MgSO₄·7H₂O、3.82克NH₄Cl（以达到所需的NH₄⁺-N浓度）

氢氧化细菌在真实采矿废水中的生长速度较慢

真实采矿废水培养实验比较了HOB在标准HOB培养基和真实采矿废水中的生产高价值MP的能力，同时评估了它们的碳固定和氮回收性能。如图1所示，两组HOB均利用顶空中的H₂和CO₂作为能量和碳源来支持生长并合成MP。实验结束时，真实废水组的CODW为1.22±0.20克/升，蛋白质产量...

结论

本研究探讨了使用HOB从稀土采矿废水中回收NH₄⁺-N和生产MP的过程。真实采矿废水抑制了HOB的生长。研究发现，磷（P）的缺乏是主要的限制因素。补充磷后，气体消耗、NH₄⁺-N的转化率和生物量积累都有所提高，CODW达到2.03±0.11克/升，氮的利用效率为18.57±0.98克/克。

CRediT作者贡献声明

Yun He：撰写——初稿、可视化、数据整理。Weiyuan Lu：撰写——审稿与编辑、软件操作、数据分析。Jianxin Xu：撰写——审稿与编辑、验证、数据整理。Bin Dong：撰写——审稿与编辑、监督。Li Xie：撰写——审稿与编辑、监督、资源协调。Wen Wang：撰写——审稿与编辑、监督、资金获取、概念构思。

伦理声明

作者声明本研究不涉及人类或动物实验。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能影响本文研究的财务利益或个人关系。

致谢

本项目得到了北京-天津-河北自然科学基金合作项目（25JJJJC0010）和中国国家自然科学基金（52270096）的支持。

Yun He|Weiyuan Lu|Jianxin Xu|Bin Dong|Li Xie|Wen Wang