零价铁诱导高盐低温废水中海洋反硝化厌氧铵氧化菌群氮去除机制：硝酸盐与亚硝酸盐的差异效应

《Bioresource Technology》：Nitrogen removal mechanisms of marine anammox consortia induced by zero-valent iron in high-salinity and low-temperature wastewater treatment: Nitrate or nitrite makes differences

　　

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  硝酸盐/亚硝酸盐在零价铁诱导的海洋反硝化菌群共体中产生差异。
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  处理高盐废水时达到了最高的 94.03% 总氮去除率。
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  硫单胞菌属 被富集并与 候选种 Scalindua 协同除氮。
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  海洋反硝化与基于零价铁的自养反硝化协同去除盐水中的氮。

引言

厌氧氨氧化（anammox）细菌以亚硝酸盐为电子受体将铵氧化为氮气 (Yin et al., 2025a)。由于生活环境不同，反硝化细菌被广泛分为淡水来源反硝化细菌（FAB）和海洋反硝化细菌（MAB）(Hu et al., 2022)。反硝化细菌不仅有助于全球氮循环，还在含氮废水处理中发挥重要作用 (Naufal & Wu, 2024)。

含氮废水也含有大量盐分，例如海鲜加工废水和海水中养殖废水 等 (Qu et al., 2024)。已有报告显示，当盐度达到 2.5% - 2.75% 时，FAB 的除氮性能急剧下降 (Jeong et al., 2020)。然而，MAB 具有高耐盐性，在 3.5% 盐度的含氮废水处理中表现良好 (Qu et al., 2023)，甚至在多重抗生素胁迫下也能表现优异 (Li et al., 2022, Zhang et al., 2022b)。此外，MAB 能在相对较低的温度（15 °C）下保持高活性 (Li et al., 2020)，而 FAB 在低温（≤20 °C）下活性退化 (Jiang et al., 2023)。因此，与 FAB 相比，采用 MAB 处理低温高盐废水具有优势。

铁是反硝化细菌生长的必需元素。作为反硝化细菌的含铁辅因子，血红素 c、铁硫蛋白和铁镍蛋白在能量代谢中发挥重要作用 (Wang et al., 2022)。据报道，Fe(II) 或 Fe(III) 能显著增强海洋反硝化菌群共体的除氮性能 (Feng et al., 2020, Li et al., 2020)，以及在 3.5% 盐度下 MAB 的生长速率 (Yin et al., 2019)。零价铁（ZVI）可用于持续释放 Fe(II)/Fe(III) 以可持续地增强反硝化。作为一种良好的还原剂，ZVI 创造有利的厌氧环境，并参与生物除氮过程 (Zhang et al., 2022a)。几项研究报告指出 ZVI 能改善 FAB 的除氮性能 (Dai et al., 2023, Zhou et al., 2024b)。然而，关于 ZVI 对 MAB 菌群共体的影响，特别是在低温处理盐水废水方面的信息很少。

在废水处理中，铵是常见的氮污染物，亚硝酸盐/硝酸盐是常规的氮氧化物。亚硝酸盐和硝酸盐均在反硝化过程中用作电子受体，且亚硝酸盐是硝酸盐还原的中间产物 (Deng et al., 2022)。ZVI 腐蚀产生 H₂ 和 Fe(II)，可用作电子供体还原硝酸盐，即基于零价铁的自养反硝化（ZVI-AD）(Shi et al., 2022)。亚硝酸盐是反硝化细菌的必要底物，可通过部分反硝化积累。ZVI 可与传统碳源协同进行部分反硝化，减少碳源的依赖性 (Zhou et al., 2024b)。此外，厌氧环境下 Fe(III) 还原与铵氧化耦合，即 Feammox，是含氮废水处理的一种潜在替代方案 (Cheng et al., 2023)。以往研究主要集中在 Fe(II)、Fe(III) 或 ZVI 对淡水反硝化的增强作用，或铁添加对反硝化活性的普遍改善上 (Chen et al., 2026)。然而，ZVI 在高盐低温复合胁迫下的海洋反硝化菌群中的作用仍知之甚少。更重要的是，硝酸盐和亚硝酸盐作为电子受体在除氮机制中发挥不同作用。迄今为止，很少有研究比较硝酸盐和亚硝酸盐如何调节海洋反硝化、ZVI-AD 和 Feammox 之间的耦合。因此，有必要探索高盐低温环境下硝酸盐或亚硝酸盐对零价铁诱导的海洋反硝化菌群共体的影响差异。

本研究探讨了零价铁诱导的海洋反硝化菌群共体除氮机制中亚硝酸盐或硝酸盐的差异。本研究的目标是：(i) 评估利用亚硝酸盐与硝酸盐作为电子受体时海洋反硝化菌群共体除氮性能的差异；(ii) 评估微生物群落的动态变化以及 MAB 与其他微生物之间的关系；(iii) 揭示硝酸盐或亚硝酸盐对零价铁诱导的 MAB 菌群共体除氮机制的差异。本研究为 ZVI 诱导的 MAB 除氮提供了新见解，重点关注亚硝酸盐和硝酸盐作为电子受体的影响，并为 Fe-N 转化提供了新视角。

章节片段

实验装置设置

运行了两个相同的工作体积为 1 L 的 SBR 反应器（R_a 和 R_i），以研究 ZVI 诱导的 MAB 除氮机制以及亚硝酸盐和硝酸盐作为电子受体的差异（见补充材料）。R_a 和 R_i 中接种污泥的混合液悬浮固体（MLSS）浓度约为 4500 mg/L。R_a 的进水底物为硝酸盐和铵，而 R_i 的进水底物为亚硝酸盐和铵。铝箔

以硝酸盐为电子受体的零价铁诱导海洋反硝化菌群共体的除氮性能

如图 1 所示，从第 4 天开始，出水硝酸盐急剧下降且无亚硝酸盐积累，总氮去除率为 31.5%，标志着 ZVI-AD 的成功启动。在此阶段，原位生成的 Fe(II) 作为主要电子供体，促进硝酸盐逐步还原为亚硝酸盐 (Shi et al., 2022)。同时，出水铵降至 68.8 mg/L。这表明 ZVI-AD 过程中作为瞬态中间产物生成的亚硝酸盐被迅速捕获并

结论

本工作首次研究了在不同电子受体（硝酸盐或亚硝酸盐）条件下，特别是 3.5% 盐度和 15 ± 1 °C 环境下，零价铁诱导的 MAB 菌群共体的除氮机制。从结果中得出的主要结论如下：

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  添加 ZVI 后，当硝酸盐或亚硝酸盐作为电子受体时，海洋反硝化菌群共体的除氮性能表现出显著差异。在添加硝酸盐的

CRediT 作者贡献声明

Shuyan Yin：撰写 – 初稿，验证，方法学，调查，数据整理。Yuhui Fang：方法学，形式分析。Shenglei Sun：调查，数据整理。Xiaocui Wang：方法学，形式分析。Jin Li：撰写 – 审阅与编辑，监督，资源，项目管理，资金获取，构思。

利益冲突声明

作者声明不存在可能影响本文所述工作的已知竞争性经济利益或个人关系。

致谢

本工作得到 国家自然科学基金（52470040）和 山东省自然科学基金（ZR2024ME130）的资金支持。

Shuyan Yin|Yuhui Fang|Shenglei Sun|Xiaocui Wang|Jin Li