西安建筑科技大学苏俊峰团队JHM：铁循环驱动新型氨氧化并同步去除铅、镉和铜

成果简介

近日，西安建筑科技大学 环境与市政工程学院 苏俊峰 教授 团队在环境领域著名学术期刊 Journal of Hazardous Materials 上发表了题为 “Fe ³⁺ /Fe ²⁺ cycling drove novel ammonia oxidation and simultaneously removed lead, cadmium, and copper” 的研究论文。本研究利用筛选出来的一株铁循环细菌 Aquabacterium sp. XL4 作为目标菌株，探究菌株 XL4 驱动铁循环实现氨氮和硝酸盐同步去除以及同时去除多种重金属的性能。动力学结果表明，菌株 XL4 在氨氮（ NH ₄ ⁺ -N ） / 硝酸盐（ NO ₃ ^- -N ）为 1:1 、碳氮比（ C/N ）为 4.0 、 pH 为 6.5 、 Fe ³⁺ 为 20.0 mg L ^-1 时脱氮性能最佳。 NO ₃ ^- -N 的加入能够有效促进铁循环，增强 NH ₄ ⁺ -N 的去除。抑制剂和氮平衡试验表明，菌株 XL4 的脱氮过程是厌氧氨氧化、厌氧铁氨氧化和铁反硝化的耦合作用。此外，在菌株 XL4 代谢过程和微生物铁氧化物吸附的复合影响下， Pb ²⁺ 、 Cd ²⁺ 和 Cu ²⁺ 的去除率达到 90% 以上。本研究为利用微生物技术去除多种污染物提供了理论依据 。

本研究针对水产养殖废水中氨氮（ NH ₄ ⁺ -N ）、硝酸盐（ NO ₃ ^- -N ）和重金属（如P b ²⁺ 、C u ²⁺ 、C d ²⁺ ）等污染物的排放问题，开发了一种基于铁循环的微生物处理技术。随着对肉类产品需求的增加，水产养殖业迅速发展，但同时也带来了严重的水污染问题。这些废水中含有高浓度的氮和重金属，若不经有效处理，将对环境和人类健康造成严重影响。传统的物理化学方法处理废水成本高且可能产生二次污染，而生物处理方法因其经济和环保优势受到青睐。近年来，厌氧氨氧化（Anammox）技术受到关注，但存在一些局限性。铁还原耦合厌氧氨氧化（Feammox）作为一项新兴技术，能够克服Anammox的缺点。但目前Feammox系统中的NH4+-N去除效果难以满足污水处理的要求。许多研究通过引入额外的电子穿梭体来提高Feammox系统脱氮性能，但这也伴随着二次污染的问题。已有研究表明铁氨过程产生的副产物 NO ₃ ^- -N 能够被还原为N ₂ 伴随着 Fe ²⁺ 被氧化为 Fe ³⁺ （NDFO）。NDFO产生的 Fe ³⁺ 可以再一次刺激铁氨的发生，实现铁的循环。NDFO与Feammox的耦合可以通过促进铁的循环，提高氨氮的去除率。然而，关于Feammox对同时存在氨氮和硝酸盐的水体中氮的去除却少有研究。本研究利用 Aquabacterium sp. XL4菌株，通过 Fe ³⁺ / Fe ²⁺ 循环，实现了氨氮和硝酸盐的同时去除，并利用抑制剂和氮平衡分析了氮去除机制。研究结果为微生物处理复合污染物提供了新的理论基础和处理策略。

图文导读

本研究通过动力学分析了不同的 NH ₄ ⁺ -N/NO ₃ ^- -N 、 C/N 、 pH 和 Fe ³⁺ 浓度对于菌株 XL4 脱氮性能的影响。研究表明随着 NH ₄ ⁺ -N:NO ₃ ^- -N 从 30:0 降低到 1:1 ，氨氮去除率从 36.4% 逐步提高到 96.1% （图 1a ）。这可能是由于 NO ₃ ^- -N 占比增加导致 NDFO 发生程度增加，更有利于 Feammox 的持续发生。在确定 NH ₄ ⁺ -N 与 NO ₃ ^- -N 比例后，对不同的 C/N 、 pH 和 Fe ³⁺ 浓度对菌株 XL4 的脱氮性能的影响进行分析，结果表明菌株 XL4 在 NH ₄ ⁺ -N:NO ₃ ^- -N 为 1:1 、 C/N 为 4.0 、 pH 为 6.5 、 Fe ³⁺ 为 20.0 mg L ^-1 时 , NH ₄ ⁺ -N 和 NO ₃ ^- -N 去除率能分别达到 96.1% 和 97.6% （图 2 ）。

在确定了最佳的脱氮条件后，探究了三种不同重金属（ Pb ²⁺ 、 Cu ²⁺ 、 Cd ²⁺ ）对菌株 XL4 脱氮性能的影响。结果表明， Cu ²⁺ 对微生物的毒性明显低于 Pb ²⁺ 和 Cd ²⁺ 对微生物的影响。当 Cu ²⁺ 浓度为 6.0 mg L ^-1 时，氨氮去除效率仍高于 89% ，这表明菌株 XL4 对 Cu ²⁺ 有更强的耐受性。当 Pb ²⁺ 和 Cd ²⁺ 浓度超过 4.0 mg L ^-1 时，氨氮去除率分别降低至 74.8% 和 86.3% 。这可能是由于在较高浓度的重金属胁迫下微生物活性受到抑制。因此，可以推断菌株 XL4 对重金属的耐受性顺序为： Cu ²⁺ > Cd ²⁺ > Pb ²⁺ 。

Fig. 2 Variation of NO ₃ ^- ,NO ₂ ^- , and Fe ²⁺ concentration under different conditions.

使用抑制剂进一步分析了菌株 XL4 的脱氮机制（图 3 ）。在不添加 Fe ³⁺ 时 NH ₄ ⁺ -N 去除率达到 56.6% ，这可能是因为 NO ₃ ^- -N 被还原为 NO ₂ ^- -N ，随后与 NH ₄ ⁺ -N 发生厌氧氨氧化作用导致 NH ₄ ⁺ -N 的去除。 Fe ³⁺ 的加入显著提高了 NH ₄ ⁺ -N 的去除率 (96.1%) ，烯丙基硫脲 ( 硝化抑制剂 , 1.0 mg L ^-1 ) 添加前后， NH ₄ ⁺ -N 去除差异并不明显，表明 NH ₄ ⁺ -N 的去除过程中不存在硝化作用。辣椒素 ( 铁还原抑制剂 , 0.05 g L ^-1 ) 加入后，氨氮去除率降低至 58.3% ， Fe ²⁺ 浓度降低至 3.68 mg L ^-1 。在鱼藤酮 ( 反硝化抑制剂 , 1.0 mg L ^-1 ) 添加后， NO ₃ ^- -N 的去除明显受到抑制，相应地， NH ₄ ⁺ -N 的去除率降低至 78.5% 。这证明了 NO ₃ ^- -N 的添加可以促进铁循环，提高 NH ₄ ⁺ -N 的去除。氮平衡分析也被用来进一步探究氮转化途径。结果发现 Fe ³⁺ 的加入能提高气态氮占比。 48 小时时气态氮占 TN 的 87.7% ，而 NH ₄ ⁺ -N 和 NO ₃ ^- -N 的比例分别降至 1.9% 和 1.2% 。

Fig. 3 The effects of different inhibitors on the nitrogen removal performance of strain XL4 (a and b), as well as the nitrogen balance when NH ₄ ⁺ -N was used as the nitrogen source (c), and the nitrogen balance with and without Fe ³⁺ when NH ₄ ⁺ -N and NO ₃ ^- -N were used as the nitrogen sources (d and e).

Fig. 4 Removal efficiencies of Pb ²⁺ , Cu ²⁺ , and Cd ²⁺ at different heavy metal systems (a-d) and different Fe ³⁺ concentrations (e), and variations of EPS concentration under different heavy metal systems (f).

Fig. 5 XRD (a) and FTIR (b) patterns of biogenic iron precipitation before and after heavy metal addition. XPS spectra of survey (c), C 1s (d), O 1s (e), and Fe 2p (f) of the biogenic iron precipitation before and after removal of Pb ²⁺ , Cd ²⁺ , and Cu ²⁺ .

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