铁对厌氧氨氧化过程及脱氮性能的影响

铁对厌氧氨氧化过程及脱氮性能的影响】

摘要：从微生物活动和脱氮性能等角度出发，综述铁对厌氧氮氮化过程的影响。结果表明适

量快的添加不仅促进厌氧氨氧化菌的生长及繁殖，提高Rnammox活性，且有利于污泥颗粒

化改善沉降效果，同时形成的EPS有助于污泥絮体凝聚，进而显著提高厌氧氮氮化工艺的处

理效果。并通过氮源的迁移转化、微生物功能基因丰度及多样性揭示反应过程以厌氧氨氧化

为主，Feammox和自养反硝化为辅，发酵型细菌和异养型细菌共同作用实现稳定的脱氮。通

过本文介绍将为后续铁元素加强厌氧氮氧化过程的研究提供参考。

关键词：厌氧氨氧化；铁；污泥特性；脱氮；转化机制

EffectofIrononAnammoxProcessandNitrogenRemoval

Performance:AReview

CHENCuizhong,Ereaihan,LIUHongguang,WANGJiankang,LANMingju,LIUShengbao,

DUKeqing,LIJunfeng*

(CollegeofWaterConservancyandArchitecturalEngineering,ShiheziUniversity,Shihezi,Xinjiang.83200),PR

China)

Abstract：Thispaperreviewstheeffectsofirononanaerobicammoniumoxidation(anammox)

processfromtheperspectivesofmicrobialactivitiesanddenitrificationperformance.Theresults

showthatironelementcannotonlypromotethegrowthandreproductionofanammoxbacteria,

improvetheanammoxactivity,butalsohelpsludgegranulationandimproves(hesedimemation

effect,atthesametime,theformedEPShelptoaggregatesludgefloc,thusobviouslyimproving

thetreatmenteffectofanammoxprocess.Throughthemigrationandtransformationofnitragen,

thefunctionalgenes,abundanceanddiversityofmicrobial,whichrevealthattheanammox

processisdominatedbytheanammoxbacteria,supplementedbyFeammoxandautotrophic

denitrification,andfermentationbacteriaandheterotrophicbacteriaworktogethertoachieve

stabledenitrification.Inaddition,theintroductioninthispaperwillprovideareferenceforthe

subsequentresearchoniron-enhancedanammoxprocess.

Keywords:anammox;iron:sludgecharacteristics;nitrogenremoval;transitionmechanism

1引言

城市污水工艺提标改造进度的不断推进，新型工艺每程硝化厌氧氮氧化(Anammmox)

(Xinctal.,2020)"'.短程反硝化Anammo#』及耦合自养反硝化⑸等主流工艺成为代替传统

脱氮过程的主要途径，为了促进自养菌的产率及建立长期可靠的主流Anammox工艺，相对

应的策略来协同实现主流工艺的推行，如不同价态的铁(Fe)⑹、金属铜⑺、超声波、生物

催化剂及固定凝胶等网的添加来有效促进反应器的启动及维持系统的长期稳定运行。其中铁

元素是主要的添加物，能修直接参与三殁酸循环、电子传输、氨基酸和喀咤生物介成网等主

要的代谢过程，同时也是含铁蛋白(细胞色素c、血红素c等)的组成成分，在微生物的代谢

和生长过程中发挥主要作用初,且以细胞色素C为主的血红素蛋白[用具有储存铁的功能I⑵，

形成的致密粒子为新陈代谢提供必须的营养物质，参与Anammox的转化过程。同时，铁的

添加还可以消耗溶解氧，低价态的铁转化为高价态的铁，强化系统的厌氧环境，提高及促进

厌氧氮氧化的活性”引。此外，污泥特性也随着铁的添加发生变化，如PH及低氧化诱导电位

(ORP)।川、颗粒化的成型।⑸、胞外聚合物及群体感应的产生均呈现出差异性।⑹，其中，

污泥颜色变化可能是最直接的表现性状，无论是在Anammox启动阶段，还是在Anammox

的富集过程中，由于血红素蛋白的存在，厌氧氨氧化生物质的颜色从黑色、棕色到洋红的明

显变化

铁的添加不仅可以强化污泥特性，也能加速脱氮效果，同时促进其他系统的参与，共同

实现氮的高效去除。厌氧氮氧化反应体系中铁循环主要是由铁氧化菌(FeOB)和铁还原菌

(FeRB)协同完成“叫对于铁循环和氮循环发挥共同发挥作用的包括典型的硝酸盐依赖性亚

铁铤化(称为NAFO)[⑼和利用Fe(HI)氧化氨氮产生亚硝、硝氮和氮气的Feammox^。并且在

微生物角度解析反应过程时，常常还发现伴随有发酵细菌、异养反硝化细菌的存在RI而

这些细菌的存在使得单一的自养脱氮系统在合理控制外添加物的条件下实现多系统协同作

用122-23],此时产生的氮损失并非仅有Anammox的单一贡献。

因此本文从厌氧氨氧化的角度出发，综述铁对厌氧氨氧化的微生物、条件控制的变化

(PH和ORP)和颗粒化过程的影响，并探讨其耐氮去除性能及多系统参与的脱氮效果，量

化功能基因及微生物群落结构与污染物去除之间的联系及差异性，揭示厌氧氨氧化体系下多

系统参与的微生物群落动态。从而为铁强化厌氧氨氧化提供理论依据和技术支撑。

2铁对厌氧氨氧化微生物的影响

微生物是厌氧氮氧化过程的重要部分,大量的研究者从微生物及其酶与基因功能等方面

的改变出发，探索铁对厌氧氨氧化微生物的影响。首先铁的添加将对Anammox的基质条件

产生影响，例如PH及ORP等।川，并且适量的Fe不仅可以提高厌氧氮氧化的反应速率12用、添

加血红色素C的含量及增强活性等，而且长期的添加使得微生物细胞内外的铁浓度失衡，铁

吸附于污泥及生物膜表面，有利于促进颗粒化的形成磔L此外对于微生物胞外聚合物的产

生发挥着重要作用12纥

2.1铁对厌氧氮氧化体系中pH和ORP的影响

Anammox生长属于偏碱性环境，而随着铁的增加菌种的生长速率缓慢增加，常常作为

促进启动的策略，而随着量的增加，活性会受到抑制，逐渐失去活性，而这主要是由于生成

的Fe(Hl)会和溶液中的OH-结合形成卜e(OH)3沉淀，使得溶液呈酸性，pH维持在4〜5,同时形

成的沉淀会覆盖在菌种表面，无法进行正常的新陈代谢卬】。由此可知，PH的变化可作为铁

含量对于Anammox促进或抑制指示标志，不管在长期或短期影响过程中，PH是最便捷也是

最直观了解反应过程的参数。Li等国研究发现当Fe(OI)浓度小于2mg-L-'W，出水的PH维持

在7.7,随着添加量的不断增加，浓度保持在4~6mgLT时反应体系的PH维持在8.0~8.11,当

浓度大于10mg-L」后，呈现酸性，菌种的生长完全受到抑制，并且在最优工况条件下，典型

周期运行过程中，ApH的浮动并不大，满足菌种生长的最适PH值。由此可知，当铁的添加

量能够促进菌种的牛长及繁殖时,溶液PH范围基本稳定,日较适宜菌种的正常代谢12叫而

当偏离最适浓度，便会引起菌种抑制甚至出现死亡。

ORP作为揭示生物处理系统中乂一个重要操作参数，常常协同PH值监测系统的稳定性。

根据Anammox反应的特性(公式(2-1))及相关的热力学参数，N2/NH；-N的标准电极电位为274

mV,NO2--N/N2的标准电极电位为976mVM,因此Anammox反应的理论标准电极电位为702

mV,所呈现的ORP较高。但在实际应用过程中发现，并非只有纯Anammox菌在起作用，

Lackner等⑴]研究发现，通常Anammox在低ORP水平下呈现良好的活性，随着系统中ORP从0

mV下降至IJ-U0mV时，Anammox活性反而提高了约50%,在培养及长期驯化过程中，随着

亚硝的消耗和硝酸盐的产生均引起了ORP的提高，在无外添加剂情况下，ORP无法维持较低

的水平，Anammox反应速率相对维持较低，对于强化脱氮效果贡献较小。因此Anammox反

应体系中无外添加物时ORP范围分布较广(-IO7~375mV)l32-33],表面相对适宜的范围内更有

利于菌种的生长，而这结果和理论值相差甚远。

NH/-N+1.32NO2-N+0.066HCO.V+0.13H+一

1.02N2+0.26N05--N+0.066CH2Oo.5N(：,i5+2.03H2O(2-1)

随着Fe添加物的补充，强化了反应体系，且长期的培养促成了NAFO等反应的产生，促

使Anammox主体反应维持较高的活性，同时降低了反应过程中的ORP,而且铁的合理添加

有利于微生物的团聚，对于缓解环境变化起到有利作用。有学者在长期培养过程中发现，当

Fe(HI)浓度小于•ZmgLL出水的ORP维持在-50mV,浓度不断增大，出水中ORP随之降低，

当浓度大于10mg・L」以上时，ORP相对波动幅度较小，而当Fe(III)浓度高达120mgL”时，

。!^维持在150^,此时微生物己经不能维持正常的新陈代谢，活性受到抑制，而在短期影

响或者在典型周期中，当Fe(HI)浓度小于2mgORP基本维持不变，而当浓度高达6mg

时，ORP逐渐下降到-60mV,而此时菌种表现出来的活性也较高RIFan等【⑸在连续培养过

程中发现，ORP随着铁源不断增加而呈现逐渐下降的趋势，连续投加纳米零价铁(ZVI)粉

第5天时，ORP维持在-29.5mV,与未投加铁源相比维持较低的ORP,而表现出来的性状却

远大于未投加的，同时也消除了溶解氧①O)的负效应。但也有现象发现，随着Fe(II)和Fe(in)

浓度的不断升高，ORP呈现上升的趋势(高达200mV),甚至高于单独培养过程中所表现出

来的性状。综.上所述，加入铁源强化Anammox脱氮过程时，ORP只能作为指示性参数：外

添加物的投入，使得反应系统表现多元化，不能简单的归功于单一反应。

2.2铁对厌氧氨氧活性、颗粒化及EPS形成的影响

主流Anammox工艺的推行往往受到生长速率缓慢，活性低且倍增时间长等敏感性问题

制约着，艺的推行。为了提岛细菌的生长速率或活性，许多新方法成为现阶段研究的重点：

凝胶固定化、磁场电场强化及矿物质的添加等网361，这些方法均取得一定的效果，能够强化

微生物的活性，加速反应过程，但由于能量投入相对较高，成本较大，规模化推广可行性低

等缺点尚未广泛推广。而Fe的合理添加，不仅没有增大原来的基建投资，而且能够实现反应

的高效运行，同时可以提高菌种的活性，促进颗粒化的形成，还可以增强血红色素c的产生

及多元化系统的参与，因此被开发用于提高厌氧飒氧化菌的生长速度和细胞产量。

2.2.1铁对厌氧氨氧活性的影响

活件分析常常作为铁对Anammox宜观表现.由干培养方式与运行条件的不同会产生差

异，但所表现性状基本•致。在培养菌种时，常常会加入铁元素作为营养物质满足菌种的生

长，在低浓度添加量时活性变化较小，Fermoso等⑼研究认为Fe(H)浓度从0.03mM增加到

0.09mM,厌氧氨氧化活性(SAA)由0.1184增加到0.1719d,继续升高Fe(H)浓度，此时活

性呈现逐渐降低的趋势，当浓度高达0.18mM时，SAA减少到0.1499dL若再提高浓度，活

性呈现阶梯式变化，脱氮效果明显变差，菌种受到抑制。并且Yang138)在短期培养过程中(接

种时间控制到9h),Fe(IW浓度从0.04mM,活性从0.1343d」增加到0.1709dL随之

提供浓度到0』4mM,导致活性下降到0.1411d,但和低浓度相比仍然具有•定的活性，表

现出良好的增长速率，则说明Anammox细菌在合理Fe(IH)浓度下可耐受相对高浓度的约束。

2.2.2铁对厌氧氨氧化污泥颗粒化的影响

铁的加入不仅加速了污泥的沉降性能，对于污泥的聚集也起到重要作用。根据DLVO理

论Ml,Fe(H)和Fc(HI)形成的离子强度可以通过压缩双电层来减少静电斥力(包括离子、偶

极性、氢键或疏水相7作用等不同的物理化学作用力)，增强污泥颗粒化口。一】同时形成的

离子可以和微生物表面的蛋白质结合，通过架桥的方式将微生物和外添加物结合，形成紧密

的结合体，产生不可逆粘附，促进微生物的聚集RI颗粒污泥的形成更有利于微生物的截

留，使得污柒物的利用率更高"Fes。4是最常用的铁矿物质，在反应过程中产生磁场，电离

成游离的Fe(H)和Fe(HI)以供微生物利用网。固定添加量下，投加Fe'Q」的颗粒增长速度相对

较慢，经过39d的培养，颗粒的粒径达到294.1pm,而ZVI促成的颗粒粒径达到417.3pm,电

离程度的高低决定/颗粒成型的时间।⑸，而对于无添加铁物质的培养条件下(171.4pin),

所呈现的颗粒远小r•加入矿物质的，将形成机理进行简单分析，如图I所示。

Anammox

AnammoxGranule

Polymericchain

FET备T.

AnammoxGranule

口■■一%一东

AnammoxGranule

图1三种情况下颗粒污泥形成过程的对比分析【⑸：A无矿物质；B含Fe；C含FeaCh

Figure1Comparativeanalysisoftheprocessofforminggranularsludgeinthreecases1151:Awithout

minerals;BwithFe;CwithFe?O4

随着培养时间的延长，加入铁矿物的Anammox培养系统呈现明显的差异性，Fe?O4的投

加加速颗粒化的形成，粒径高达1593.6Nm"5l,而ZVI的投加随着解离程度的增大，限制了

颗粒化的形成，快速解离导致氢氟化铁的生成，降低了离子的碰撞次数，从而影响细菌细胞

和游离铁离子的结合I⑸，同时也有发现表明，长期添加高浓度的Fe3(h矿物质对厌氧氨氧化

性能及颗粒化的形成没有不良影响，可能是由于其良好的生物相容性由-均：而对于长期未投

加铁物质的体系，最大颗粒粒径达到602.8pm,呈现明显的差异性。适量矿物质的添加强化

了颗粒化的形成，使得溶液中的负电荷更容易与Fe(II)和Fe(IH)结合，加速了细菌的聚集，但

过量投入同样会导致颗粒化的解体，这是由于过多的颗粒导致了微生物无法进行正常的新陈

代谢，传质效率变低，颗粒逐渐变为絮凝体，降低其脱氮效果1却。

2.2.3铁对厌氧氨氧化污泥胞外聚合物影响

在颗粒形成过程中，通过图像分析(SEM、TEM等)发现在颗粒内部存在大量EPSH71,

这对于微生物代谢、聚集及保持结构的完整性起到关键性的作用，同时环境因素的变化可能

会导致颗粒的破解，从而分泌大量的EPS,使得颗粒更加致密叫同时EPS和絮凝性物质结

合通过离子架桥、疏水聚集、聚合物缠绕等方式增强与细胞之间相互作用，促进颗粒化跖4叽

随着长期的运行，在合理添加矿物质的前提下，EPS呈现增长的趋势，这也为Fe(II)和Fe(IH)

的摄入提供自我保护，保持系统长期稳定运行皿，其中群体感应⑸।成为EPS合成中最直观的

表现。在投加铁矿物的运行系统中检测到了信号分子的存在，这就为颗粒化的形成提供可靠

的依据倒，同时也表明与EPS含量呈正相关网。此外通过宏基因及代谢组学手段分析发现,

AHLs能够调节微生物的代谢途径，促进胞外多糖的合成，进而促进Anammox聚集体的形

成叫同时污泥颗粒化过程的加快是由第二信使分子cdiGMP调控EPS表达后增强所导致

的的57]。

综上所述，适量铁元素的添加，强化了Anammox菌种的生长速率减少了培养时间且提

高了Anammox活性；有利于颗粒化的形成进而增强了对环境的耐冲击负荷，并且提高污泥

的沉降效果，保持较好的泥水分离效果；同时形成的EPS有助于凝聚絮体污泥，吸附游离的

Fe(II)和Fe(III)；此外信号分子的产生为细胞间通讯提供依据，对微生物的代谢途径及EPS

及颗粒化的形成提供微观解析。

2.3铁对厌氧氮氧化血红色素合成的影响

测定外添加物对Anammox的脱氮能力无法通过单纯的生物量来进行表达，同时多参数

控制使得分析复杂化，血红素c作为代谢过程中参与反应的功能蛋白辅助因子，反应体系中

不宜变性，从而来直接表达菌种的脱氮能力。血红素c的定量及定性分析不依赖于污泥状态

及污泥的颗粒结构，系统稳定运行时即可实现菌种脱氮能力的精确解析e，5见菌种颜色的

变化也和血红素c息息相关，同时也直接参与部分功能酶的合成。长期培养过程中，加铁电

极相对于无铁电极具有更高的血红素c含量,分别为1.6和1.2gmolCg.MLSS),,表明血红素c

的含量与Anammox的脱氮性能呈正相关।⑼。有研究表明在微生物的代谢中，富铁基质中亚

硝基单胞苗的血红素c含量显著高于缺铁基质，同时血纣素c的增加和Anammox菌种的生长

量有关，含铁基质的浓度增长是不含铁基质的1.3倍，铁的添加促进了血红素c的形成，增加

了菌种的生长，强化了微生物的脱氮效果।⑼。Zhen等人皿接种不同浓度的Fe?+经过长期驯化

发现，在合理的投加范围内，随着浓度的提高，血红素c的含量也随之增加，最大浓度(0.09

mM)分别是其他两个(0.03和0.()6n[M)的1.47和1.31倍，产生蛋白中血红素c和铁的浓度呈

现正相关。因此适量铁的投加可以促进菌种的生长，加速反应速率，提高血红素C的产率，

通过血红素C的检测，最直观的了解菌种的生物体系效能。

2.4铁对厌氧氨氧化酶活性及功能基因特性影响

Anammox由于菌种种类众多，己在海洋、淡水及陆地生态系统广泛分布，现阶段菌种

均为混配物，无法实现纯培养，但菌种代谢存在一定的差异，大多数菌种主要包括四步反应:

(1)细胞质中亚硝酸盐在细胞色素cdl型亚硝酸盐/一氧化氮氧化还原能(NirS)作用下生成

NO；(2)产生的NO与氨氮在联氨合成酶(HZS)的催化作用下生成联氨；(3)联氨在联氨氧

化酶(HDH)作用下产生N2；(4)亚硝在亚硝酸盐氧化酶(Nar)作用下被氧化成硝酸盐，其参

与代谢的反应过程如表1所示，以厌氧氮氧化体为核心，基因利用酶完成正常的生长代谢，

且在整个反应过程中起催化作用的蛋白有NirS、HZS及HDW59I。

表1参与anaminox中心代谢的主要反应过程

Table1Themainreactionsinvolvedinthecentralreactionofanammoxmetabolism

反应过程基因反应式位置

反硝化nirSNO?-N+2H++e-NO+HzO细胞质

产生N2H4hzsANH；-N+NO+2H++3e—冲山+生0厌氧氮氧化体

产生N2hzoN2HL>N2+4H++4€-厌氧双氧化体

产生六

NONnxrNOrN+HiO-NO「N+2H*+2c细胞膜

随着基因测序技术的不断发展及微生物转录水平对混合体系环境变化的快速响应⑼,

诠释了混合体系中参与反应的过程，如图2所示，在混合培养体系中不仅仅Anammox参与反

应，反硝化和氮氧化过程关键功能基因定量表征功能微生物代谢属性及转录基因的表达揭示

了参与Anammox代谢功能基因的过程。也有研究发现Anammox细菌代谢过程中真正的中间

体不是羟胺，而是一氧化氮⑹I,提出HDH可能成为NzFL转化为N2的关键酶，同时新菌种的

发现可能会有新的突破。

图2参与Anammox代谢的关键功能基因

Fig2ThekeyfunctionalgenesinvolvedintheAnaminoxmetabolism1621

Anammox长期培养过程中，随着添加Fe(H)添加量的不断增加，HDH活性呈现逐渐增长

的趋势，0.09mM添加量是0.03mM添加量的2.35倍，添加量从0.09mM增加到0.12mM时HDH

活性基本维持不变，而随着添加量的不断增大，HDH呈现下降趋势，菌种的代谢过程受到

抑制网】，可能是由于破坏了细菌的DNA和诱导细胞死亡，影响了正常的生长代谢，细胞膜

损伤引起脱氮效果的降低，因此整个培养过程中表现出来的脱氮贡献和HDH活性变化呆持

一致，HDH和微牛•物的脱氮效果成正相关。而对于添加Fe3Ch强化Anammox培养过程中，添

加1和lOmgL」Fes。’测定的HDH活性相对于未添加Fe3Ch呈现卜降的趋势，随着添加曷越大,

导致HDH活性显著下降，但脱氮效果良好，菌种生长速率维持较高水平，这可能是由于磁

铁矿的添加，促进了其他特异性酶的产生aL因酹活性的表达受到环境因子的影响较大，

对于短期培养或者瞬间抑制过程利用酶活性测定的表达更合理，而利用功能基因丰度的测定

可能更能反应微生物长期培养的变化。

铁矿物的添加不仅促进Anammox的生长，也会促进其他微生物协同作用。HzsA丰度随

着Fe(II)或Fe(IH)添加量的增加呈现逐渐增长的趋势，呈现的生物量和Fe含量呈显著正相关

网。具体表现有以下几个方面:(1)AOAamoA>AOBamoA和nxrA基因作为典型的)化基

因在培养过程中被检测到。长期培养过程中AOBamoA的拷贝数比AOAamoA和nxrA基因高

1-3个数量级，同时随着Fe(H)浓度从0.02mM增加到0.08mM,nxrA基因拷贝数呈现逐渐下

降的趋势，但当浓度高达D.lOmM时，nxrA基因拷贝数呈现增长的趋势网；Wang等3嘲究

发现随着Fe(HI)浓度从0增加到0.12mM,AOAamoA和AOBamoA基因的绝对丰度发生显著

变化，功能基因由4.46xl0-3.74xl()2增加到1.71x104-2.55x1()7拷贝数，而nxrA没有随着Fc

(HI)浓度的增加呈现上升的趋势，整个培养过程中基本维持较低，随着Fe(HI)含量不断增加

使得反应体系中硝化型功能基因的丰度呈现显著上升的趋势，可能是促进了氨氧化偶联

Fe(IH)还原即Feammox反应的发生；同时有研究也发现，长期的厌氧体系或厌氧消化池中添

加磁铁矿、FC2O3和Fe(OH)3能够诱导Fcammox发生gL笔者认为长期的菌种培养过程中，加

入的Fe(II)会消耗溶液中的DO从而创造严格的厌氧环境强化Anammox生物量的生长，而长

期铁物质的添加，诱导Feammox的发生，促进了硝化型功能基因拷贝数的增加“<2)napA,

nartD及nrfA作为反硝化基因的主要贡献者直接参与生物脱氮过程，Fe(H)浓度的增加并没有

提高napA和naQ的拷贝数，而是呈现逐渐下降的趋势。nrfA拷贝数随着Fc(H)浓度的增大先

升高后降低，且在最适浓度下长期培养过程中发现，菌种脱氮效果良好，nrfA拷贝数最高，

此时nrfA和anammox基因拷贝数的变化具有高度的一致性1651；同样的在Fe(III)长期投加培养

过程中，nrfA也呈现先增加后逐渐下降的趋势，n叩A与naKJ拷贝数基本维持不变16纥主要

是因为长期的厌氧环境为硝酸盐异化还原成钱根离子的过程(DNRA)提供可能16叫在无氧

条件下或者缺氧条件下，进行无氧呼吸，硝酸盐作为电子受体被还原。(3)nirS拷贝数相

对于nirK和nosZ基因较丰富，虽然在Fe(H)长期培养过程中没有呈现数量级的增加，但其表

现出来的活性还是存在的，只是相对来说影响幅度不大牌】。在Fe(III)长期投加的过程中也发

现，nirS、nirK及nosZ拷贝数在适宜的范围内呈现逐渐上升的趋势16%适量的投加铁物质可

以促进反硝化酶的活性，增强微生物的反硝化性能。(4)长期的投加铁物质不仅促进了微生

物的脱氮过程，强化了微生物的脱氮基因，同时铁循环的加入也强化了铁细菌的产生，铁氧

化细菌(FcOB)和铁还原菌(FcRB)也是影响氮损失的关键官能团。即随着铁物质不断加

入，参与铁循环的功能基因均表现出逐渐增长的趋势，协同氮循环完成菌种的驯化图-的。由

此我们可得在铁物质强化Anammox生长的过程中，主反附Anammox生物量增加，脱氮性能

良好，同时伴随反硝化及铁直接参与的Feammox和DNRA等过程的参与，相关基因均呈现逐

渐上升的趋势，实现多系统共同作用。

2.5铁对厌氧氨氧化反应体系微生物多样性的影响

铁矿物的添加不仅强化了微生物的脱氮效果，同时乜丰富了微生物的多样性，多系统共

同作用促进了微生物协同作用的前提。本节主要总结了在合理添加范围内随着铁物质政添加,

微生物在门纲目科属不同层次进行多样性分析。尽管培养方式及环境因子的差异会引起丰度

及微牛物多样性的差异•汩主要的微牛物群落结构是一致的07hu等网对厌氧氨体系进行微

生物多样性分析，研究表明在门水平主要以Chloroflexi、Proteobacteria、Planctomycetes及

Chlorobi为主，Chloroflexi和Proleobacleria的丰度随着Fe(H)浓度的升高呈现逐渐上升的趋势。

主要功能微生物厌氧氨氧化菌属于PIanclomycetes,覆盖了现阶段发现的所有anaminox细菌，

该功能微生物也是废水脱氮的主要贡献者四；Chlorollexi作为典型的兼性厌氧微生物，为长

期保持厌氧环境起到保障，同时可以将分泌的胞外蛋白转化为氨基酸，促进菌种的聚集mi。

在纲水平•主要以Proteobacieria、Fusobacteriia>Betaprotecbacieria及Brocadiae为主,在目水平

主要以Brocadiales、Anaerolineales^Burkhokleriales及Phycisphaeralcs为主，在科水平主要以

Brocadiaceae>Comamonadaceae^Rhodocyclacese及Caldilineaceae为主冲-23.651,随着铁物质

量的增大，丰度呈现增长的趋势，当达到一定浓度时，微生物的丰度呈现相对平缓的状态,

多样性成为主要的变化。而对于属水平微生物分布易受环境及培养方式的影响，对于主流的

anammox主要以CandidaiusBrocadia和Can以datusKucncnia为主完成主要的脱氮过程，价态的

不同对于功性能微生物的种类存在差异性，协同或耦合反应共同作用于主反应。铁的添加强

化了微生物的多样性，包括Feammox、AOB、Denitrifier^DNRA、NOB、organic-degrading

bacteria>PAH-degradingbacteria及heterotrophicdenitrifyingbacteria171731,由于铁的存在强化

了铁循环，增强了铁参与的脱氮过程。异养微生物的存在标志着混合系统中存在有机物，这

是由于anammox细菌进行正常的新陈代谢时分泌的可溶性微生物产物(SMP)和胞外聚合物

物质(EPS)提供了有机物质，协同完成脱氮El。尽管铁物质的添加强化了微生物的多样性，

但微生物的转录和翻译水平却不一定得到保障，异养菌及其他丰度较低微生物的存在对于总

氮的贡献却很小，基本不存在底物竞争关系，但是铁氧化细菌和铁还原细菌的存在不仅可以

去除硝氮，而且会和主反应体系存在竞争关系，这就导致表现出来的脱氮贡献比例和理论值

相差甚远。微生物多样性及丰度的变化和污染物的去除存在良好的相关性，从微观角度诠释

铁物质对于anammox反应体系的影响，了解混合体系协同作用的机理。

3铁对厌氧氨氧化脱氮性能的影响

铁物质的添加增强了Anammox的生长过程，对于系统长期稳定运行也起到了一定的促

进作用，强化了生物的脱氮性能。菌体从固体金属物质中获得电子，使其表面具有亚铁血红

素蛋白促进电子的转移，通过基因组分析，也检测到细菌中含有亚铁血红素蛋白，为

Anammox的铁氧化活性提供了更有力的证据17叫同时利用同位素示踪实验证明，

Candidatus.Brocadiasinica和Candidatus.Scalinduasp也能利用水体中的硝氮将溶液中的Fe"

氧化为Fe3+61,使得铁细菌直接参与反应，形成氮和铁的复合循环，铁还原和铁氧化直接参

与Anammox氮循环，增强微生物的代谢途径，Anammox利用Fe?十为电子供体，将生成的硝

酸盐还原成亚硝酸盐，再与基质底物结合供Anammox所利用，或者混合菌种通过依赖性铁

(II)氧化(NDFO)将NQ,直接转化为氮气1671,实现高效的脱氮，弥补Anammox自身无法降

解硝氮的弊端。Fe(IH)还原与厌氧氨氧化耦合主导的Feammox也在循环过程中发挥着重要作

用，长期的厌氧环境也为发酵细菌的增长提供了可能，从而实现多系统的共同作用⑻I强

化系统的高效稳定性。

3.1铁对厌氧氨氧化氨氮转化机制的影响

铁物质不仅促进主体反应的进行.同时也激活了其他代谢过程,功能基因的全方伟解析

对于宏观了解脱氮效果的参数提供了可靠的依据，且对于脱氮效果均需进行定性及定量分析。

对于基质底物氨氮来说，厌氧氨氮化成为主要的贡献者，铁物质的长期投入促进了其他类型

微生物的参与，可能参与的反应过程如表3所示。

表3生物或生物化学耦合脱氮过程中相关可能的化学反应式

Table3Pertinentpossiblechemicalreactionequationsinbiologicalorbio-chemicalcoupled

nitrogenremovalprocesses-NH；-N

contributionPertinentpossiblechemicalreactionequationsreferences

+2+

consumption3F2(OH)3+5H+NH：-*3Fe+9H2O+0.5/

6Fa(OH)3+10H++NH；t6Fe2++16%。+NOJ[77,78]

8Fe(OH)3+14H++NH}->8Fe2++21H2。+NO3

+2+

3F22O3+14H+NH：t8Fe+9H2。+N火

[67]

+2

4F»304+22H+NH：-»12Fe++13%。+NO3

2+-

Replenishment4F20+N火+7H2Ot4Fe+NH；+lOOH179]

2++

consumption6F23++2H2O+NH：t6Fe+8H+N%[80]

6F4，Fe^l(OH)CO+-NO3+-H+->5Fe"00W+HCOj+

Replenishment12384

181]

Fe2++-H0+-NHt

882

2+-

2.82Fe°+NOi+Fe+2.25H2OtNH：+1.19Fe3O4+0.500H182]

铁物质的添加使得生物或生物化学耦合的脱氮结合途径发生，引起基质底物氨氮的迁移

转化,长期添加使得铁还原细菌和氨氧氨氧化菌体的氮代谢结合起来，增强了氨氮的去除率，

降低了出水浓度，提高了脱氮效果，且菌体在还原过程中产生了Fe(II)。Bao等网探究A(in)

对Anammox氮代谢途径研究中发现，随着添加量的增加，氮代谢组中NH；-N呈现高效的去

除效果，还原产生的Fe(")高达90%以上，系统维持稳定；而当Fe(III)浓度超过最适范围时，

铁还原代谢受到抑制，过多的Fc(OH)3覆盖在菌体表现，生物的代谢过程受阻，脱氮效果不

佳，同时铁还原过程产生的少量的Fe⑴产叫而有学者研究发现在系统稳定运行时，铁还原

产生的Fe(II)并非得到枳累，基质底物亚硝及主反应生成的硝氮均能与Fe(H)发生反应，造成

铁还原体系产生的Fe(H)浓度下降，反应结束时可能会检测到过多的Fe(HI)保留在体系中，这

就使得生成的硝酸根和还原产生的Fc(H)发生NDFO(表3)附1,实现Anammox的代谢产物

得到高效去除。为了进一步阐明Fe(II)或Fe(IH)强化培养菌种的过程，开展了氨氮转化和铁循

环相关功能基因氮转化率的定最分子相关性分析，得到功能基因的变化和氨氮的迁移转化呈

现较高的相关性(R?为0.988)图)，这其中也包括硝化(AOA及AOB)过程对级氮的贡献。

长期添加铁物质强化菌种培养过程中，硝化效果还需进一步分析，现阶段仅认识熟知微生物

功能基因的变化，并未对参与的硝化过程实现定性及定量分析。

3.2铁对亚硝转化机制的影响

亚硝作为Anammox必不可少的底物基质，同时也是生成硝氮主要的供体，铁物质的添

加激活了其他微生物的协同作用，形成竞争性抑制和非竞争性抑制。生成的硝氮会和体系中

添加的矿物质或生成的低价态铁发生反应(公式3-1),厌氧亚铁氧化过程中不仅硝酸根作为

电子供体，亚硝酸根同样可以作为电子供体完成生物化学反应。虽然反应体系和不同铁耦合

会产生不同的途径和反应历程,但生物过程或生物化学耦合过程所表现出来的性状基本一致。

2++

10Fe+2NO2+24H2。-10Fe(OH)3+0.5/V2+18H(3-1)

2+

5Fe°+2NO2+6H2。-5Fe+/V2+120H-(3-2)

Fe0+NO3+H+tFe2++NO5+20H-(3-3)

厌氧氨氧化和反硝化的共同作用增强了亚硝的消耗，强化亚硝的去除效果。将功能基因

和亚硝的消耗和枳累结合，分析其相关性发现，narG^AOAamoA+AOBamoA+anammox

对于亚硝积累呈现较高的负相关性(R2为0.982)图)，这可能是因反应体系中高浓度的亚硝

对于功能基因的表达形成抑制，反应过程受到抑制颂L随着铁物质量的不断增加，异养反

硝化和硝化作用相对受到抑制，而潜在的Feammox和NDFO将铁循环系统激活，强化了生物

的氮循环，产生的亚硝和剩余的亚稍实现高效去除图】，且NDFO是在系统中存在NOx和Fe(II)

的情况下发生的，这也与典型的铁自养反硝化基质条件一致⑻】。

3.3铁对其他中间物转化机制的影响

Anammox耦合铁细菌实现生物膜、颗粒污泥及自养菌的共同作用可以减少传统脱氮技

术的弊端，在实际废水处理中具有明显的优势，中间代谢产物对于特殊的菌群也能进行正常

的新陈代谢，N2H4和NO作为主要的中间体，参与微生物的脱氮过程。CandidatusBrocadia

anammoxidans能够利用NO和氨氮完成脱氮过程，且菌种对于NO的含晟也有一定的耐受性

谶】。铁对于菌种的促进作用同样作用在NO的转化过程，添加量的增大也会引起微生物对于

NO的代谢速率，影响正常的生命活动股】。当NO进入混合体系中，首先被Fe(II)EDTA吸附并

螯合，朗脱氢酶利用电子供体完成正常的脱氮过程，或者在Anammox培养的基础上，铁(II)

和NO宜接发生反应，共同完成脱氮〔刻，而时于实际培养的细菌，NO的积累相对较少，没有

进行针对性的了解及分析。

3.4铁对厌氧氨氧化脱氮反应计量比特性的影响

在厌氧氨氧化反应中，NO「N充当J'电子供体和电子受体的双重角色，而NH；-N则充当

了电子供体和细胞所需氮源的双重角色。厌氧氮氧化反应的计量系数受多个因素影响，变化

范围较大。化学计量比可以反映anammox的脱氮性能，但在实际运行中，由于反应器运行条

件和菌群结构的不同，NH：-N和NO?-N消耗量与NO、-N生成量并不严格符合理论值

(1:1.32:0.26),有研究报道其理论值为1:(1.311±0.024):(0.296±0.009)阿,Liu等9阳报道

NO2--N和NFU+-N消耗量之比为0.91〜2.01,NO；-N生成量与NH：-N消耗量之比为0.04〜

0.41四-刈。铁物质的添加定会导致基质比的变化，随着Fe(II)的增加，△NO”N：△NH/-N基

质比呈现逐渐下降的趋势，投加量分别为0.04,0.06和0.08mmol・L/时，长期驯化培养后，

表现出的反应基质比为1.27±0.11,1.24±0.()5和叫也有研究衣明投加量在此范围

内基质比维持在1.3±0.02,ANO「N：△NHJ-N从0.30±0.02至0.25±0.02陷)。同样在Fe(HI)和其

他铁矿物添加过程中，合理范围内升高添加量，基质比的变化趋势基本一致127,431,FC参与

的anammox反应其化学计量比显著低于理论值，Feammox的激化使得过多的氨氮被消耗，转

化为其他代谢产物。同时铁物质可直接参与反应，作为Feammox反应的电子供体，实现Fe(II)

氧化、anammox和Feammox协同作用，从而为降低化学计量比提供理论支持机)，并且其他

菌种的参与也会影响基质比，但影响相对较小。

4问题和展望

本文综述了不同价态铁对厌氧氨氧化体系启动及脱氮过程的影响，利用污泥的形态表现

及生长特性了解系统宏观特性；通过酶活性的表达解释反应过程的稳定性，阐明添加物对系

统的促进及抑制潜能，发掘系统稳定运行的关健参数；采用基质底物、中间产物及终产物解

析氮素的迁移转化，协同微生物多样性剖析厌氧氮氧化脱氮机理，为厌氧氨氧化工程实践应

用提供理论参考。

铁矿物的添加不仅强化了厌氧氮氧化微生物的脱氮效果，同时也丰富了微生物的种群结

构，但仍存在诸多问题需进行深入分析，主要包括以卜几点：

(1)主要总结了微生物的脱氮效果及所添加矿物质的种类和数量进行分析，利用污泥特

性及微生物表现性状解析厌氧氨氧化的反应过程，然而是否还存在Fe-N促进厌氧氨

氧化细菌可能的其他代谢路径，今后的研究可增加宏基因组学、转录组学及代谢组

学用于验证厌氧氮氧化细菌是否存Fc-N等其他代谢路径。

(2)通过铁矿物的添加量可实现系统良好的脱氮效果，促进其他功能性微生物的协同作

用，但厌氧氨氧化细菌在亚铁型Anammox工艺中常会面临亚铁过量的潜在危险，表

现出重金属对微生物生长和活性的影响为浓度依赖型。因此，作为一种常见的重金

属，过量的亚铁势必会对厌氧氮氧化细菌产生抑制甚至毒性，如何有效的解毒及抑

制后的恢复成为反应过程的关键，并且外添加物的解毒效果是否会影响生物的正常

代谢，还需要进一步分析。

(3)铁矿物的添加促进了硝氮的去除，使得自养反硝化成为主要的贡献者，铁主导的短

程自养反硝化-厌氧氨氧化组合工艺在无直接电子供体亚硝的条件下，是否可以从组

合工艺的角度去强化混合系统，使厌氧氨氧化的出水可直接回到系统内参与反应，

且铁矿物也不会对菌种产生不可逆的影响，为短程反硝化-Anammox工艺处理实际废

水提供更具借鉴意义的技术参考。

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