碳限制条件下铁硫耦合系统中高效同步去除氨氮和硝酸盐：多组学视角下的代谢调控与微生物互作解析

《Water Research》：High-efficiency simultaneous ammonia and nitrate removal in iron-sulfur coupled system under carbon limitation: Multi-omics insights into metabolic regulation and microbial interactions

　　

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  铁-硫耦合促进了NO??和NH??的同时去除。
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  ¹⁵N同位素示踪揭示了多路径协同脱氮机理。
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  多组学分析揭示了核心菌群的代谢特征及其在脱氮过程中的相互作用。
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  Ca. Brocadia的双重Feammox-Anammox代谢潜力促使其在NO??限制条件下富集。
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  增强的电子传递确保了系统在波动氮负荷下的运行稳健性。

引言

废水中的氮排放是导致受纳水体富营养化的主要驱动因素，对水生生态安全构成严重威胁。氨氮（NH??）和硝态氮（NO??）是主要的无机氮形态，通常通过传统的硝化和反硝化工艺去除（Luo等，2025）。然而，对于碳源受限的废水，传统生物脱氮面临碳源不足和能耗高的双重挑战（Tian等，2024）。因此，开发新型生物脱氮技术，能够在最小化碳投入的同时高效去除NH??和NO??，对于推动污水处理厂污染物去除与碳排放减排的协同效应至关重要。

硫自养反硝化（SADN）可以通过氧化无机硫化合物有效还原NO??，从而实现碳氮脱耦（Wang等，2023）。在硫源中，单质硫（S⁰）因其无毒性和经济性被广泛用于处理含硝酸盐废水（Deng等，2022）。近年来，研究者通过将S?与含铁材料（如海绵铁（sFe?）或黄铁矿（FeS?））共填，构建了铁-硫耦合系统（Hu等，2020；Miao等，2026；Pu等，2014）。在此类耦合系统中，硝酸盐的高效还原主要由硫氧化驱动，还原态铁（Fe2?和Fe?）作为辅助电子供体，可缓解次生SO?2?污染并实现磷酸盐去除。值得注意的是，铁的存在有助于氨氮去除。Luo等（2025）基于黄铁矿生物过滤器的研究表明，Fe²⁺氧化驱动硝酸盐还原（NDFO），而由此产生的Fe³⁺进一步介导氨氧化（Feammox）。多种铁还原菌（如Geobacter和Shewanella等）被认为是Feammox的潜在功能属（Wang等，2024）。然而，在自然和人工系统中，这些细菌优先利用有机物还原Fe(III)，这意味着仅有少量氨氮通过Feammox途径被消除（Li等，2025）。此外，Feammox过程的氨氮去除速率通常受生物可利用Fe(III)持续供应不足以及微生物与不溶性铁氧化物之间跨界面电子传递效率固有瓶颈的限制（Wang等，2025）。因此，仅依赖铁-硫耦合系统中自养反硝化与Feammox过程的协同作用，不足以实现NO??和NH??的高效同时去除。

为克服这一局限性，厌氧氨氧化（Anammox）为氨氮去除提供了一种有前景的自养替代途径。与Feammox相比，该过程能以NO??-N为电子受体，更高效地将NH??-N转化为N?。然而，Anammox的实际应用受到其生长速率缓慢和对稳定NO??-N供应需求的制约（Deng等，2022）。值得注意的是，厌氧氨氧化菌（AnAOB）在含铁环境中的代谢活性和适应性高于以往的认识。一方面，铁促进了AnAOB关键胞内蛋白的合成，如铁硫簇和多血红素细胞色素，从而增强其代谢活性（Wang等，2022）。例如，Hu等（2024）报道5 mg/L Fe³⁺促进了Ca. Brocadia的富集，与无Fe³⁺相比，脱氮速率提高了108%。类似地，Bi等（2014）发现0.09 mM Fe2?将厌氧氨氧化工艺的启动时间缩短了50天。另一方面，近期研究发现，某些AnAOB（如Ca. Brocadia和Ca. Kuenenia）可通过胞外电子传递（EET）将Fe(III)还原与氨氧化偶联（Wang等，2024）。此外，这种Fe(III)诱导的EET途径扩大了能量产生（Levar等，2012），并支持在NO??限制条件下维持生物量和AnAOB的代谢活性（Dou等，2023）。此外，强效的硫驱动自养反硝化可以维持较高的硝酸盐还原通量，其中间产物NO??可作为厌氧氨氧化代谢的底物。这促进了高效的厌氧氨氧化代谢以去除氨氮，并促进了AnAOB的生长。从理论上讲，铁-硫耦合系统具有整合多路径协同的潜力，可在自养条件下实现NO₃^-和NH₄⁺的高效去除。然而，实现这一潜力的关键在于Anammox代谢能否在系统中建立，这一问题仍需进一步研究。

目前，针对铁-硫系统的研究主要集中于含硝酸盐废水处理，对其同时去除氨氮的潜力和机理尚未充分探索（Hu等，2020）。具体而言，在波动氮负荷下，多路径的动态响应及微生物活性及其对脱氮性能的影响尚不清楚。此外，此类多耦合系统中微生物群落的高功能冗余性，在仅依赖基因丰度分析时进一步加剧了功能归属的不确定性。实际代谢特征更多地依赖于关键基因的在位表达和动态调控（Chen和Vymazal，2015；Sui等，2021）。因此，需要整合宏基因组学和宏转录组学分析，从代谢潜力和活性表达两个角度阐明功能协同和调控网络，从而为定向工艺优化提供依据。

总之，本研究构建了填装S⁰和sFe⁰的生物过滤器系统，旨在：（1）评估在动态氮负荷下氨氮和硝酸盐的同时去除性能及长期运行稳定性；（2）阐明S、Fe和N的生物化学转化过程及其多路径协同脱氮的内在机制；（3）在基因组和转录组水平分析微生物群落的演替及空间功能分化；（4）整合宏基因组和宏转录组数据，分析核心菌群的代谢潜力和相互作用网络，以及系统功能稳健性的内在机制。本工作为开发高效稳定的自养生物处理工艺提供了创新的技术范式，该工艺能够同时去除NO??和NH??。

章节摘要

反应器启动与长期运行

通过以1:2的体积比填装海绵铁混合物（粒径＜5 mm，Fe? ＞88%）和单质硫（粒径3–5 mm，S? ＞99.5%），构建了铁-硫耦合生物过滤器（ISBF）。生物过滤器的有效工作体积为2 L，连续运行228天。反应器配备了三个采样口，分别位于柱高140 mm（出口a）、360 mm（出口b）和480 mm（出口c）处（图S1a）。反应器接种来自

ISBF的长期脱氮性能

如图1和表1所示，ISBF系统在初始阶段（0-93天）表现出高效的硝酸盐去除能力，硝酸盐去除效率（NRE）达到92.6%，硝酸盐去除速率（NRR）为0.65 kg N·m?3·d?1。平均出水NO??-N浓度保持在较低水平（2.4 mg/L），沿柱高最大浓度仅为4.1 mg/L。这种可忽略的亚硝酸盐积累表明，在此阶段完全反硝化是主要的脱氮途径。瞬时增加

结论

本研究证明ISBF是实现硝酸盐和氨氮高效同时去除的可行工艺。主要结论如下：

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  逐渐升高进水NH₄⁺-N浓度驱动ISBF系统的脱氮途径从完全自养反硝化向反硝化-Feammox-Anammox协同模式转变。
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  生物过滤器沿程的功能分区进一步提高了总氮去除率并最大限度地减少了SO?2?污染。
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作者贡献声明（CRediT）

苗浩浩（Haohao Miao）：论文撰写–初稿、可视化、资源、调查、形式分析、数据整理。曾威（Wei Zeng）：论文撰写–审阅与编辑、指导、资源、方法论、经费获取。郝晓晶（Xiaojing Hao）：资源、方法论。王叶（Ye Wang）：可视化、软件。彭勇珍（Yongzhen Peng）：指导、经费获取、概念化。

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财务利益或个人关系。

致谢

本研究得到国家自然科学基金（52470021）资助。

苗浩浩|曾威|郝晓晶|王叶|彭勇珍