软锰矿介导的反硝化厌氧甲烷氧化用于同时增强湿地中的氮去除和温室气体减排

《Bioresource Technology》：Pyrolusite-mediated denitrifying anaerobic methane oxidation for simultaneous enhancement of nitrogen removal and greenhouse gas mitigation in wetlands

　　**摘要**• 软锰矿与DAMO微生物接种物在人工湿地中耦合，用于脱氮和减缓温室气体排放。• 耦合湿地的出水达到地表水Ⅲ类标准，全球变暖潜能值（GWP）降低62.81%。• 关键DAMO类群及特定功能基因（*mcr*、*mdh*、*nor*、*nos*等）得到富集。• 协同的DAMO、HD（异化反硝化）、Mn-AOM（以锰为电子受体的厌氧甲烷氧化）和AD（自养反硝化）途径实现了最佳性能。• Mn(IV)/Mn(II)循环定向诱导电子从CH?/COD流向氮氧化物。---## 引言城市污水回用已成为缓解水资源短缺、提升城市水资源可持续利用的重要策略（Fan等，2024）。然而，中国目前大多数污水处理厂执行的1A类排放标准（TN≤15.0 mg/L、TP≤0.50 mg/L、COD≤50.0 mg/L，GB 18918–2002）远超中国地表水Ⅲ类标准（TN≤1.0 mg/L、TP≤0.20 mg/L、COD≤20.0 mg/L，GB 3838–2002）对低富营养化风险的要求，尤其是在氮（N）浓度方面（Zhu等，2026）。与絮凝沉淀、膜过滤和活性炭吸附相比，人工湿地（CWs）因其运行成本低、维护简单且具有景观价值而被广泛用于污水处理厂出水的深度处理（Liu等，2026b）。二级出水中的氮通常以NO??为主，而较低的C/N比显著限制了CWs中的反硝化过程（Zhu等，2026）。与此同时，CWs是大气CH?最大的天然来源，其100年全球变暖潜能值为CO?的28倍，监测数据显示2000–2021年间全球CWs的CH?排放量以1.3–1.4 Tg/yr的速率增加（Li等，2026b）。因此，亟需开发能够同时增强NO??去除和减缓温室气体排放的低碳CWs。反硝化厌氧甲烷氧化（DAMO）为连接CH?氧化与NO??/NO??还原提供了一条有前景的代谢途径，分别由DAMO古菌（*Candidatus Methanoperedens*）和DAMO细菌（*Candidatus Methylomirabilis*）介导（Tan等，2024）。通过用CH?替代传统碳源进行NO??/NO??还原，该过程在促进脱氮的同时减缓了全球变暖潜能值。近年来，DAMO微生物已在CWs和污水处理系统中被广泛检出，凸显了其生态意义和工程潜力（Chen等，2021）。然而，DAMO微生物生长缓慢以及CWs固有的空间异质性可能阻碍土著DAMO群落的快速增殖和功能表达。尽管DAMO属已在完全混合序批式反应器中成功富集（Wang等，2025a），但DAMO微生物能否在CWs复杂环境中存活、适应并维持高活性仍不清楚。为进一步增强DAMO性能，已对多种材料（如生物炭和Fe/Mn氧化物）对DAMO活性的影响进行了研究（Lv等，2024）。具体而言，生物炭上调了参与逆向甲烷生成的基因丰度，而金属氧化物则促进了电子转移（Xue等，2023）。此外，Fe/Mn氧化物不仅激活DAMO过程，还通过双重途径进一步增强脱氮和CH?减缓：高价金属离子诱导厌氧CH?氧化（AOM），随后由金属还原产物驱动自养反硝化（AD）（Chen等，2025）。与Fe氧化物相比，Mn氧化物因其更高的氧化还原电位和吉布斯自由能而更具竞争力（Zeng等，2024）。然而，金属氧化物也可能对DAMO驱动的脱氮产生不利影响。Tan等（2024）发现，添加硝酸铁会诱导*Candidatus Methanoperedens*将NO??还原为NH??和N?O。Wang等（2025b）报告纳米MnO?促进*Candidatus Methylomirabilis*进行异化硝酸盐还原为铵（DNRA）。当将软锰矿等缓释锰源引入预先接种DAMO微生物的CWs时，电子流是否被定向引导至有益的脱氮过程，还是被分流至不利过程（如NH??积累和N?O产生）仍不清楚。此外，二级出水通常包含硝化菌和反硝化菌。一旦这些细菌进入接种了DAMO的CWs，它们与DAMO微生物之间是协同还是拮抗作用尚不明确。此外，不同途径的相对贡献仍有待探索。基于上述知识空白，本研究建立了分别和联合引入软锰矿与DAMO菌群的人工湿地系统，用于二级出水的深度处理。此外，通过整合长期CWs运行、批次途径解耦实验、电化学表征、电子转移测试和微生物功能分析，系统研究了耦合湿地同时脱氮和减碳的性能及内在机制。具体目标为：（1）评估富集DAMO菌群的脱氮和CH?削减能力；（2）探究软锰矿对CWs中污染物去除和温室气体减缓的影响；（3）定量分析不同途径的相对贡献；（4）阐明软锰矿介导的微生物机制和电子流分布。本研究为实现污水处理过程中协同污染物去除和碳减缓提供了有价值的见解。---## 小节摘录### DAMO菌群富集与活性测试本研究的DAMO接种物取自实验室已运行数年的非曝气人工湿地。通过湿地不同深度水质和溶解CH?的时空变化，推断底物附着有DAMO微生物的存在。为进一步验证，对接种物进行了宏基因组测序和活性测试。测试在120 mL血清瓶中进行，每个瓶含50 mL基础培养基。### 进出水水质变化图1展示了不同CWs进出水中NH??、NO??、NO??、TN、COD和Mn(II)浓度的时序变化。DAMO接种和软锰矿添加在不同程度上增强了CWs中的污染物去除，其中耦合的MDCW表现出最佳的氮和有机物去除效果，且出水中不存在Mn(II)过度释放的风险。对于脱氮，四种CWs的出水氮浓度在最初40天内波动，这与……### 结论本研究证明，由软锰矿和DAMO菌群共同建立的耦合湿地（MDCW）可以同时增强脱氮和减缓温室气体排放。其本质取决于通过锰循环实现多种电子供体和受体的有效级联。具体而言，HD、DAMO、AD和ED（异化反硝化）共同驱动NO??还原并抑制N?O积累，而DAMO和潜在的Mn-AOM共同促进CH?消耗。此外，Mn(IV)/Mn(II)循环……### CRediT作者贡献声明**田清源**：论文撰写——初稿。**王文淮**：论文撰写——审阅与编辑。**刘博文**：概念化。**王心苗**：形式分析。**杨雨欣**：调查。**王建康**：方法论。---### 利益冲突声明作者声明不存在可能影响本文所报告工作的已知竞争性经济利益或个人关系。---### 致谢本研究由兵团重点领域科技攻关计划（2025AB046）、国家自然科学基金（52300214）和石河子大学青年英才计划（BJZK202405）资助。