综述：用于增强厌氧氨氧化的铁碳复合材料：电子转移机制、铁死亡调控及规模化挑战的批判性综述

《Bioresource Technology》：Iron–carbon composites for anammox enhancement: a critical review of electron transfer mechanisms, ferroptosis regulation and scale-up challenges

　　

•铁碳复合材料通过DIET（种间直接电子传递）加速反硝化启动和氮去除
•铁死亡样细胞死亡调控微生物氧化应激和细胞膜
•铁改性支架富集Ca. Brocadia和Geobacter网络
•工程化铁碳构型在10–15°C下仍能维持脱氮
•机器学习和AI模型实现动态、实时投药扩展

引言

全球范围内工业化和城市化的加速推进，导致活性氮化合物大量排入水体环境，引发严重的生态后果，包括广泛的水体富营养化、缺氧和水质量恶化（Liu等，2024；Madjar等，2024；Pan等，2025）。传统生物脱氮构型依赖好氧硝化和异养反硝化的先后进行，由于运行费用高昂，正受到日益严格的审视。这些传统系统需要大量能量用于机械曝气，将氨氧化为硝酸盐。此外，在碳源有限的条件下，这些系统还需要大量投加甲醇或乙酸盐等外源有机碳，以维持异养反硝化细菌的活性（Abdul Rahiman和Qiblawey，2025；Ponce-Jahen等，2024）。相比之下，厌氧氨氧化（anammox）已作为一种革命性、节能的现代污水处理替代技术崭露头角（Cheng等，2025；Singh等，2025）。厌氧氨氧化最初被发现是一种自养代谢途径，在严格厌氧条件下，氨（NH4+）的氧化与亚硝酸盐（NO2?）的还原同时发生，最终生成氮气（N2）。通过绕开传统的硝酸盐（NO3?）途径，厌氧氨氧化消除了外源有机碳的需求，将曝气能耗降低多达60%，并通过减少一氧化二氮（N2O）排放，显著降低了污水处理设施的碳排放足迹（He等，2025；Li等，2024；Pan等，2023；Xie等，2023；Yang等，2023）。

然而，尽管具有显著的热力学和经济优势，由于厌氧氨氧化菌（AnAOB）固有的生物学特性，全尺寸厌氧氨氧化系统的广泛部署和实际应用仍面临重大制约。AnAOB属于浮霉菌门，是生长缓慢的自养菌，其倍增时间极长，在最佳实验室条件下通常为7至14天。因此，厌氧氨氧化反应器的初始启动和生物量积累阶段往往持续数月之久（Lu等，2021；Wu等，2022）。此外，AnAOB具有高度敏感的生理特征，对环境波动、pH冲击、温度下降以及有毒底物或重金属浓度升高极为脆弱（Guo等，2025；Kouba等，2022；Singh等，2025）。这些运行脆弱性经常导致生物量流失、结构颗粒完整性破坏和系统突发崩溃，需要漫长的恢复时间。

为解决这些动力学限制并保护生物量免受运行冲击，基于材料的强化策略已被广泛探索，以促进稳定的细胞固定和加速胞外聚合物（EPS）分泌（Kayoumu等，2025；Pimenov等，2022；Yang等，2023）。在这些干预措施中，铁碳（Fe-C）复合材料的实施作为前沿技术方案引起了极大关注。铁碳复合材料结合了各类铁物种（如零价铁、磁铁矿或氧化铁）的化学活性、磁性和催化多样性，以及碳质基体（如生物炭、活性炭或氧化石墨烯）的高比表面积、丰富多孔结构和导电性。当集成到厌氧氨氧化系统中时，这些复合材料形成微电解池，其中碳作为阴极，铁作为牺牲阳极。该微电解体系已被证明能够持续产生亚铁离子（Fe2+）和氢气。这些元素已被鉴定为代谢刺激物和电子供体，从而加速了控制氮转化的酶促级联反应（Gao等，2024）。同时，导电碳骨架作为电子通道，增强了长程胞外电子传递（EET），促进微生物快速聚集，并催化形成致密、抗剪切破碎的厌氧氨氧化颗粒（Hu等，2022；Lu等，2021；Tang等，2024）。

然而，随着该研究领域从基础发现向技术成熟过渡，现有文献综述存在明显局限性，阻碍了铁碳强化系统的系统发展和标准化部署（Chen等，2026）。先前的文献综述表明，大多数相关论文主要关注宏观性能指标、短期实验室动力学或通用的铁氮耦合途径，而未提供严格的机理或技术经济评价。现有文献尚未建立细胞应激边界、电子途径方法学分类和放大障碍之间的联系。本综述旨在弥合这一重大知识缺口。为填补这些关键知识空白，本综述提供了三种独特的视角和科学贡献，使其区别于现有文献：（1）细胞应激边界与替代死亡模型：虽然铁溶解的代谢和催化效益已得到充分记录，但局部铁积累所施加的生理应激边界始终被忽视；值得注意的是，铁依赖的、脂质过氧驱动型细胞裂解——一种类似于真核细胞铁死亡的现象——尚未被纳入原核厌氧氨氧化培养物的机理框架中。与一般的综述不同，本研究建立了铁毒性的定量阈值，界定了将真核细胞死亡命名法应用于原核生物时存在的生物学局限性，并确定了特定的生化验证生物标志物；（2）电子传递分类的方法学严谨性：当前文献综述揭示了一种反复出现的趋势，即混淆不同的电子传递途径，未能严格区分由导电碳基质促进的种间直接电子传递（DIET）与可溶性Fe(II)/Fe(III)氧化还原穿梭；这种缺乏清晰区分的情况模糊了间接性能推断与直接实验证据之间的区别。为此，本综述将历史数据系统地分类为直接证据（如组学、生物电化学测量）和间接推断，旨在分离出导致目前最佳投药量存在三个数量级差异的根本机理；（3）技术经济放大、能耗概况和运行瓶颈：实验室规模实验发现与全规模市政转型的实际实施之间存在显著的不一致性，因为现有综述很少提供材料钝化、混合诱导的结构颗粒磨损、原位再生或材料可回收性的定量评估。最重要的是，本综述首次提供了整合性的技术经济分析，明确量化了铁碳强化反应器相比未强化对照的净节能潜力（以kWh/kg去除氮表示），同时关键评估了与出水铁纳米颗粒浸出和重泥处理相关的长期下游环境风险。为解决这些局限性，本综述提出了一种新颖的多尺度框架，不同于传统纯粹的描述性动力学总结。通过将基础生物界面机理与实践热力学、动力学和约束条件相结合，本综述为旨在部署稳定、高速、下一代厌氧氨氧化技术的研究人员和设计工程师提供了一条明确的多尺度路线图。

分段摘要

酶学机理与细胞内铁稳态

厌氧氨氧化过程完全由浮霉菌门内的专性自养菌介导。这些细菌包括候选属Brocadia、Kuenenia、Anammoxoglobus、Jettenia和Scalindua（Abdul Rahiman和Qiblawey，2025；Hu等，2025；Singh等，2025）。这些微生物的标志性生理特征是厌氧氨氧化体，一种专门化的内部细胞器，以其存在高度致密且不透的梯烷类脂质为特征。其功能

氧化应激与铁死亡样细胞死亡

要全面理解铁碳复合材料的界面机理，需要精确考察释放出的铁纳米颗粒（NPs）与微生物生理学之间的相互作用，以及细胞氧化还原边界。工程化铁纳米颗粒（如γ-Fe2O3和Fe3O4）已被证明对厌氧氨氧化菌群产生显著的非线性生物学影响，而非仅仅是被动催化剂（Wang等，2024；Zhang等，

实验室规模性能与热稳定性

在实验室规模下，铁碳复合材料的引入已被证明能在三个关键运行维度上驱动显著的过程强化，包括启动加速、最大体积脱氮速率（NRR）和低温动力学韧性。未改性的厌氧氨氧化构型通常表现出延长的滞后期，往往持续数月之久，这是因为厌氧氨氧化菌（AnAOB）的最大比生长速率较低。

投药量变异性与建模瓶颈

尽管在实验室规模取得了卓越成就，但将集成铁碳厌氧氨氧化平台转化为稳健的工业规模，从根本上受到了投药标准严重缺失的阻碍。对当前文献的批评性审视揭示了一个惊人的、非标准化的三个数量级最佳加载量差异，从轻质水热炭化生物炭（HTC-Fe-BC）的0.25 g·L-1到重质铁改性颗粒的3000 mg·L-1（3.0 g·L-1）以上。

未来展望

集成铁碳（Fe-C）复合材料强化厌氧氨氧化技术从优化的实验室和本地中试配置向全年运行的全规模市政污水基础设施转型，需要从经验观察向目标导向的多尺度和建模范式进行协调转变。克服投药量变异性、材料钝化、热冲击和下游环境风险等根本性边界，需要应对关键前沿领域。

结论

本综述的独特之处在于其整合了一个多尺度框架，其中包含了细胞应激边界、电子传递分类和技术经济放大。该框架为铁碳强化系统提供了一条连贯的路线图。本综述综合了铁碳复合材料强化厌氧氨氧化污水平台的基本机理、生物学相互作用和边界。本研究将分子水平的应激框架与

CRediT作者贡献声明
Rethabile Debra Moteletsana：写作——初稿，可视化，方法论，形式分析，概念化。Zhenjun Wu：可视化，验证，监督。Kunjie Hou：可视化，验证，软件。Jiayu Niu：可视化，验证。Qingwen Qin：可视化，验证。Jiaqi Sun：。Ziyu Wang：可视化，验证。Mingzhe Li：可视化，验证。Guorui Wang：可视化，验证。Jing Liu：可视化，验证。

未引用参考文献
Chen等，2025a，Chen等，2025b，Chen等，2021a，Chen等，2026a，Chen等，2021b，Chen等，2026b，Cheng等，2025a，Cheng等，2025b，Hu等，2022a，Hu等，2022b，Li等，2024a，Li等，2024b，Li等，2025a，Li等，2025b，Liu等，2026a，Liu等，2023a，Liu等，2023b，Liu等，2023c，Liu等，2026b，Liu等，2022a，Liu等，2022b，Mahawong等，2025a，Wang等，2025a，Wang等，2023a，Wang等，2022a，Wang等，

利益冲突声明
作者声明他们没有已知的竞争性经济利益或个人关系，这些关系可能被认为会影响本论文所报告的工作。

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