通过使用Fe?O?/CNTs载体提高铁的生物可利用性，从而增强厌氧氨氧化菌群的多途径氮去除能力

《Journal of Cleaner Production》：Improving ferrous bioavailability with Fe 3O 4/CNTs carriers to bolster multi-pathway nitrogen removal by anammox consortia

　　

摘要

铁，特别是亚铁离子（Fe²⁺），在厌氧氨氧化（anammox）细菌（AnAOB）的代谢过程中起着关键作用。然而，在anammox系统中，铁主要以三价铁离子（Fe³⁺）的形式存在，其溶解度较低，尽管AnAOB生理上更倾向于可溶性的Fe²⁺。本研究成功合成了涂有磁铁矿的碳纳米管（Fe₃O₄/CNTs）复合载体，实现了Fe²⁺的持续稳定释放。实验结果表明，Fe-C复合载体显著促进了AnAOB的富集，提高了氮去除效率，并增强了反应器对冲击负荷的抵抗力。与仅添加Fe₃O₄的组相比，实验组中AnAOB的相对丰度和氮去除效率分别提高了39%和18%。宏基因组学和转录组学分析进一步表明，与氮代谢相关的基因（如hzs、hdh、nirKS和narGHI）的表达水平在引入Fe₃O₄/CNTs后显著上调。同时，这种干预促进了多途径的Fe-N耦合过程，包括反硝化硝酸盐还原为氨（DNRA）和硝酸盐依赖的Fe(Ⅱ)氧化（NDFO），从而构建了一个更为复杂和高效的氮转化网络。本研究表明，Fe₃O₄/CNTs通过提高铁的生物利用度，驱动了anammox菌群中铁氮代谢网络的重构，暗示了这种代谢协同作用在增强功能韧性以及提升先进anammox过程大规模工程应用的技术可行性方面的重要作用。

引言

作为一种低能耗、无需外部碳源且产生少量污泥的废水处理技术，anammox过程因其显著的经济效益和高氮去除性能而在行业中受到了广泛关注（Yin et al., 2025）。该过程中的AnAOB可以直接使用NH₄⁺-N和NO₂^?-N作为反应底物生成N₂，中间过程中不消耗氧气或有机碳源。然而，AnAOB具有生长周期长、生长速率慢等特点，并且对温度和pH值等环境条件的变化较为敏感。这些因素在很大程度上限制了anammox过程在主流城市大规模废水处理中的工程应用。

提高原位AnAOB的培养效率仍是anammox在主流废水处理中大规模应用的关键挑战。铁是支持AnAOB代谢网络不可或缺的辅因子，主要是作为anammoxosomes中血红素c的结构核心（Ferousi et al., 2017）。铁通过Fe²⁺/Fe³⁺氧化还原对驱动细胞内电子转移，作为调节核心AnAOB酶（包括亚硝酸盐还原酶（NIR）、肼合成酶（HZS）和肼脱氢酶（HDH）催化活性的关键辅因子（Kartal and Keltjens, 2016）。除了代谢调节外，Fe²⁺的生物利用度还能促进细胞外聚合物物质（EPS）的分泌，加速污泥颗粒化并稳定生物膜基质（Jiang et al., 2023）。因此，与铁限制对照组相比，优化后的铁补充可使AnAOB生物量增加多达1.36倍（Qiao et al., 2013; Shu et al., 2016; H. Wang et al., 2023）。

然而，AnAOB对铁的利用率通常较低（通常低于30%）（Liu et al., 2025），这使得在实际应用中难以实现预期的增强效果。主要原因是AnAOB更倾向于吸收高溶解度的二价铁，而在anammox系统中，铁通常以三价铁等形式存在，其溶解度和生物利用度较低（Kappler et al., 2021）。向anammox系统中添加Fe³⁺会增加反硝化细菌的相对丰度，从而与AnAOB竞争（Zhao et al., 2025）。未被利用的铁会随废水或多余污泥排出，可能带来二次风险。虽然使用铁碳材料是加速AnAOB富集和提升系统性能的公认策略，但传统材料存在严重的传质不稳定性和快速的表面钝化现象，限制了铁的可持续生物利用度（Shi et al., 2021）。为了解决这一挑战，我们开发了一种纳米级集成架构，将传统材料替换为涂有Fe₃O₄的CNTs。这种一维碳矩阵确保了生物可利用铁的高度均匀、可控的缓慢释放，同时通过其连续的导电框架增强了细胞外电子传递网络。尽管对铁增强anammox系统的见解已经确立，但这类复合载体通过持续释放Fe²⁺来调节多种氮去除途径之间的协同作用的具体能力仍很大程度上未被探索。

在这项研究中，成功制备了Fe₃O₄/CNTs复合载体。载体表面形成的微电解环境有效抑制了Fe(Ⅱ)向Fe(Ⅲ)的氧化，从而提高了Fe(Ⅱ)对anammox细菌的生物利用度。本研究的主要目标如下：（i）评估anammox系统对长期添加Fe₃O₄/CNTs复合载体的响应，包括AnAOB活性、污泥特性和微生物群落组成；（ii）研究anammox菌群对Fe₃O₄/CNTs的响应特性以及关键氮代谢相关基因（如hzs、hdh、nirKS和narGHI）的表达谱；（iii）通过综合多组学分析阐明anammox菌群内的Fe-N代谢机制，特别是Fe₃O₄/CNTs载体所介导的协同作用。

章节片段

载体的制备和表面表征

采用共沉淀方法合成了Fe₃O₄纳米晶体和Fe₃O₄/CNTs（Text S1）。然后将制备好的材料均匀涂覆在海绵载体表面。

为了评估材料制备的效果，分析了CNTs和Fe₃O₄/CNTs的形态特征、表面元素组成和晶体结构。使用扫描电子显微镜（SEM）检查了改性前后的载体形态特征。

载体的表面特性

作为代表性的一维碳纳米材料，碳纳米管（CNTs）具有直径从2到20纳米的中空管状结构。这些材料具有优异的导电性、高的比表面积和稳定的结构。当用作载体基质时，CNTs提供了较大的表面积和丰富的活性位点；此外，它们显著促进了细胞外电子传递（EET）。

结论

本研究表明，Fe₃O₄/CNTs复合载体通过导电载体介导的电子穿梭机制优化了铁的生物利用度，显著提升了anammox系统的效率和运行稳定性。Fe²⁺的持续稳定释放有效地促进了anammox菌群的富集，并上调了核心功能基因hzs、hdh、nirKS和narGHI的转录。关键的是，这些铁碳载体的引入

CRediT作者贡献声明

Genmao Zhong：撰写——原始草稿、研究、正式分析、数据管理、概念化。Genwang Chang：撰写——审稿与编辑、监督。Xiang Li：监督、资源获取、经费申请。Jingyi Weng：研究。Zhixuan Guo：研究。Shaokang Li：研究。Jinjin Yang：研究。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能影响本文工作的竞争性财务利益或个人关系。

致谢

本工作得到了中国国家重点研发计划（2024YFC3711804）的财政支持。

Genmao Zhong|Genwang Chang|Xiang Li|Jingyi Weng|Zhixuan Guo|Shaokang Li|Jinjin Yang