铁增强的还原三羧酸循环驱动无机碳固定与反硝化的协同增强

《Water Research》：Iron-enhanced rTCA cycle drives synergistic enhancement of inorganic carbon fixation and denitrification

　　**摘要**铁碳自养脱氮在处理低碳氮比废水的氮去除方面显示出潜力。然而，其应用受到零价铁腐蚀缓慢、碱化增强和无机碳不足的制约。CO?诱导代表了克服上述局限性的有前景策略。本研究建立了CO?增强的铁碳自养脱氮过程，以阐明CO?如何调节铁腐蚀、碳代谢和反硝化。结果表明，连续供应CO?维持了弱酸性条件（pH 6.0–6.5），加速了零价铁腐蚀，增加了Fe2?释放，促进了结晶性差的铁相的形成，从而增强了电子转移和氮去除。总氮去除率提高并达到97.95 ± 1.57%，出水浓度降低至0.83 ± 0.62 mg N L?1。宏基因组和酶分析显示，CO?激活了两条互补的碳固定途径。CBB相关基因*rbcL/rbcS*和*prk/prkB*的富集，连同表观Rubisco活性的增加，支持了增强的CBB相关CO?同化潜力。在富含铁的还原条件下，涉及铁氧还蛋白介导的羧化的基因被富集，可能支持还原型三羧酸（rTCA）循环。固定的无机碳被导向中央碳代谢，产生生物可利用的中间产物，支持反硝化。宏基因组组装基因组揭示了一个以反硝化菌为中心的合作网络，连接了碳固定、碳转化和硝酸盐还原。总之，CO?通过将零价铁腐蚀、双碳固定途径、碳转化和铁依赖性氮转化耦合，促进了反硝化作用。这些发现揭示了铁介导的碳固定在反硝化过程中的一个被低估的作用，并为高效去除低碳氮比废水中的氮提供了一种策略。**引言**在全球应对气候变化和实现碳中和的背景下，废水处理技术正从传统的污染物去除策略向同时最大化资源回收和最小化碳排放的更可持续方法转变。低碳氮比（C/N）废水，如市政废水，往往使传统生物脱氮技术高度依赖外部碳源，如乙酸钠和甲醇，从而增加碳排放和运营成本（Zhao等，2024b）。这一局限性推动了人们对无碳依赖脱氮策略的兴趣日益增长。自养脱氮技术不依赖外部碳源，被广泛认为是废水处理的一个未来方向（Chang等，2025；Wang等，2023；Zhao等，2026）。铁基材料作为经济高效的功能介质在自养脱氮应用中得到了广泛使用，包括原位地下水修复和高级废水脱氮（Xia等，2025）。在各种铁基材料中，零价铁（Fe?）因其较低的还原电位而备受关注，在腐蚀过程中能够持续释放电子和生成Fe2?，在电子受限条件下提供能源（Shi等，2021）。因此，Fe?介导的生物过程，包括铁驱动厌氧氨氧化、铁辅助厌氧消化和自养反硝化，已被广泛探索（Shi等，2023；Yin等，2025；Zhang等，2020）。Fe?基自养反硝化特别适用于富铁环境中的氮去除，因为它减少了对外部有机碳的需求，同时保持低碳排放和成本效益（Feng等，2023）。铁碳微电解进一步通过将Fe?与导电碳材料耦合形成微电化学电池，改进了Fe?基反硝化。这种配置促进了铁的溶解和电子转移，从而改善了反硝化微生物的电子供体可用性（Zhao等，2024a）。该过程对低碳氮比废水具有吸引力，因为它不需要外部有机碳，但反应动力学缓慢、需要无机碳以及铁腐蚀引起的碱化仍是工程应用的主要瓶颈（Ao等，2025；Xiong等，2025）。现有研究表明，CO?可以通过多种机制调节铁驱动的反硝化。Almeida等（2017）表明，CO?可以加速在可比的总体pH下的Fe?腐蚀。Li等（2024）调节CO?/H?比例以促进氢营养反硝化系统中的乙酸盐产生和异养反硝化。我们先前的研究表明，CO?添加通过OH?中和减轻pH上升，从而增强了铁碳自养反硝化（Xing等，2020）。Xiang等（2026）引入CO?以缓解铁碳微电解中铁钝化引起的操作不稳定性。从工程角度来看，CO?供应可以同时提供无机碳并调节pH，同时影响Fe?腐蚀，使其成为调节铁碳自养反硝化的潜在有用策略。然而，先前的研究主要集中在过程调节和铁腐蚀或钝化的控制上。Fe?腐蚀在微生物碳代谢途径中的作用，以及这些途径之间的关联、后续碳转化与硝酸盐还原之间的联系，仍有待进一步阐明。在厌氧条件下，Fe?腐蚀持续释放Fe2?和电子，并创造了支持硝酸盐还原的还原性富铁界面。这些条件也可能影响微生物碳固定途径。先前的研究表明，在还原条件下，铁可以在非生物上还原CO?至关键的C?–C?代谢中间体（Varma等，2018）。此外，已有报道称，即使在缺乏生物活性的情况下，铁驱动的反应也能维持类似rTCA的碳转化网络，突出了富铁系统对自养碳同化的固有化学潜力（Muchowska等，2019）。这些观察结果表明，富铁还原条件可能影响碳转化，这超出了其在为硝酸盐还原提供电子方面的既定作用。然而，Fe?腐蚀是否与无氧反硝化系统中的微生物无机碳固定以及后续碳转化相关，以及以何种方式相关，尚不清楚。因此，我们假设CO?诱导的Fe?腐蚀变化可以重塑微生物碳代谢途径，从而影响碳转化与硝酸盐还原之间的代谢联系。在本研究中，建立了三个以不同CO?供应速率连续运行的铁碳自养反硝化反应器，以维持不同的pH条件。该研究考察了CO?如何调节氮去除性能和铁介导的无机碳固定。通过将Fe?腐蚀表征与微生物代谢分析相结合，本研究旨在阐明在富铁条件下碳和氮代谢如何协同增强。这些发现可能为加强CO?增强铁碳自养反硝化的工程应用提供机制基础，通过加强CO?的内部转化和利用，从而为低碳氮比条件下的稳定氮去除提供碳支持。**连续运行的实验设计**采用序批式反应器（SBRs）进行连续运行，反应器构型如图1所示。反应器由硼硅玻璃制成，总体积为1.0 L，有效工作体积为0.7 L。每个反应器装有购买的铁碳载体，粒径约为20 mm，购自山东龙泰环保科技有限公司（中国）。所有反应器均在暗处运行在**氮去除性能**反应器的长期运行性能如图2a–c所示。R1在没有CO?的情况下运行，而R2和R3分别以1.0和1.2 mL min?1的流速连续供应CO?；相应的出水pH曲线如图2d所示。在启动期间，出水中的主要氮成分为NH??-N。当出水NH??-N浓度降至3 mg/L以下并保持在该低水平时，认为启动完成，表明逐步**结论**本研究建立了CO?驱动的铁碳自养脱氮策略，用于处理低碳氮比废水中的氮去除。结果表明，连续供应CO?影响了pH、电子供应和微生物代谢，从而增强了Fe?腐蚀、碳固定和反硝化。1) 连续供应CO?维持了pH为6.0–6.5的弱酸性环境，并改善了氮去除，总氮去除率达到97.95 ± 1.57%，出水总氮浓度为0.83 ± 0.62**作者贡献声明**魏星：概念化、方法学、调查、撰写——初稿、撰写——审查与编辑、项目管理、资金获取。周广新：调查、可视化、撰写——审查与编辑。王重阳：调查、数据管理。黄开富：正式分析、方法学。郭心源：方法学。姚红：资源。**生成式AI和AI辅助技术在稿件准备过程中的声明**在本工作准备过程中，作者使用了Coze AI助手以提高语言和可读性。作者还使用ChatGPT-5.5作为视觉辅助工具，开发图7的概念示意图。作者随后审阅、编辑并最终确定了该图，并对已发表文章的内容承担全部责任。**CRediT作者贡献声明****魏星：** 撰写——审查与编辑，撰写——初稿，项目管理，方法学，调查，资金获取，概念化。**周广新：** 撰写——审查与编辑，可视化，调查。**王重阳：** 调查，数据管理。**黄开富：** 正式分析。**郭心源：** 方法学。**姚红：** 资源。**利益冲突声明**作者声明他们没有已知的竞争性财务利益或个人关系，这些关系可能会影响本研究报告的工作。**致谢**本研究得到了国家自然科学基金（52370027）的支持。魏星|周广新|王重阳|黄开富|郭心源|姚红北京交通大学碳中和与环境学院、新兴污染物控制技术与水智慧装备北京市重点实验室，北京，100044，中华人民共和国