雷欣，閆榮，慕玉潔，章院燦，付志敏

（內(nèi)蒙古大學(xué)生態(tài)與環(huán)境學(xué)院，內(nèi)蒙古自治區(qū)環(huán)境污染控制與廢物資源化重點(diǎn)實驗室，內(nèi)蒙古自治區(qū)煤化工廢水處理與資源化工程技術(shù)研究中心，內(nèi)蒙古呼和浩特010021）

適量添加金屬元素或者金屬離子（銅、鋅、鐵等）可提高微生物活性，促進(jìn)微生物多樣性[6-7]。鐵是自然界中儲藏量最多的金屬元素之一，環(huán)境中鐵元素以鐵單質(zhì)和鐵離子的形式存在，F(xiàn)e0和Fe2+可作為電子供體還原硝酸鹽氮生成氮?dú)?，參與氮素轉(zhuǎn)變過程[8-9]，同時，鐵元素參與Anammox菌合成代謝過程[10]。相關(guān)研究報道，少量的鐵源可以促進(jìn)生物脫氮進(jìn)程[11]，AAOB可以還原硝酸鹽并氧化Fe2+[12-13]。理解鐵元素對Anammox微生物脫氮過程的影響及作用機(jī)制，對于利用鐵元素提高Anammox菌脫氮活性，促進(jìn)含氮廢水的高效處理具有重要意義。

本文全面綜述了近些年來的相關(guān)研究報道中元素鐵對Anammox過程中含氮污染物去除的影響，分析鐵元素與氮元素的反應(yīng)途徑、鐵對Anammox菌生長速率及厭氧顆粒形成的作用關(guān)系，以及鐵對微生物群落組成的影響，旨在全面理解鐵對Anammox微生物脫氮過程的影響及其產(chǎn)生的內(nèi)在機(jī)制，為實現(xiàn)利用鐵強(qiáng)化微生物脫氮實際工程提供理論依據(jù)。

1 鐵單質(zhì)對厭氧氨氧化脫氮效能的影響

與不添加鐵單質(zhì)相比，以微米和納米的形式被添加到Anammox反應(yīng)器中的Fe0可以顯著提高微生物的脫氮效能，然而目前文獻(xiàn)中關(guān)于鐵的最優(yōu)投加量的報道結(jié)果各異，進(jìn)而最大去除效果也不同，且不同類型反應(yīng)器污泥濃度和污泥本身活性也存在差異，所以還需要進(jìn)一步探究不同形式的Fe0對不同類型Anammox反應(yīng)器脫氮過程起促進(jìn)作用的閾值和內(nèi)在機(jī)理。Fe2+濃度為0.075～0.12mmol/L（4.19～6.72mg/L）以及Fe3+濃度3.68～6mg/L時，均能提高Anammox脫氮效果，而鐵離子濃度過高則會超出顆粒污泥表面對鐵離子的吸附容量，進(jìn)而可能抑制微生物活性，降低脫氮效能（見表1）。

1.1 鐵單質(zhì)對厭氧氨氧化啟動及運(yùn)行過程的影響

零價鐵（zero valent iron，ZVI）化學(xué)性質(zhì)活潑，電負(fù)性極大，電極電位E0(Fe2+/Fe0)=-0.44V，具有較強(qiáng)的還原性和吸附能力[27-28]，從而被廣泛地應(yīng)用于污水處理，如地下水硝酸氮還原。近年來，納米材料因其較大的比表面積和環(huán)境安全性，被認(rèn)為是最有潛力的環(huán)境治理材料之一。在有氧條件下，納米零價鐵（nanoscale zero valent iron，nZVI）核殼結(jié)構(gòu)會發(fā)生變動和塌陷，從而具備很高的還原活性[29]。還原性鐵單質(zhì)的存在會消耗水體溶解氧（dissolved oxygen，DO），為厭氧微生物提供適宜的生存條件，投加ZVI或nZVI可為AAOB創(chuàng)造適宜的生長環(huán)境進(jìn)而提高AAOB反應(yīng)活性。

1.1.1 啟動

AAOB生長緩慢，荷蘭鹿特丹污水廠的Anammox項目啟動耗時3.5年，通過各種手段增強(qiáng)AAOB活性來快速啟動反應(yīng)器是基于Anammox反應(yīng)脫氮工藝的研究熱點(diǎn)，一次性投加鐵單質(zhì)有利于裝置快速啟動。

對于地方政府而言，融媒體中心建設(shè)主要在于提升基層輿論引導(dǎo)力，加強(qiáng)基層信息公開，優(yōu)化基層思想宣傳組織架構(gòu)和機(jī)制，提升政務(wù)民生服務(wù)水平。地方媒體的轉(zhuǎn)型升級既有利于體制機(jī)制的調(diào)整，也有利于促進(jìn)政府推行政策方針、提高執(zhí)政水平、凝聚社會力量、穩(wěn)定社會秩序，實現(xiàn)上情下達(dá)和下情上達(dá)。縣級融媒體中心建設(shè)對扶助貧困，振興鄉(xiāng)村也具有很好的積極作用。

Ren等[15]利用ZVI消耗水環(huán)境中的DO創(chuàng)造低氧環(huán)境，填充不同類型（海綿鐵、微米級及納米級）的ZVI加速Anammox工藝的啟動，實驗結(jié)果表明，單質(zhì)鐵（25g/4.75L）的投加加速了工藝啟動，并且，粒徑越小其促進(jìn)作用越顯著。Guo等[30]投加不同用量的微米ZVI粉末探究其對Anammox的啟動過程。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，與對照組相比，投加100mg/L和1000mg/L ZVI粉末的反應(yīng)器內(nèi)，AAOB的數(shù)量分別增加了約44.5%和54%，100mg/L ZVI粉末未能顯著加速反應(yīng)器啟動，1000mg/L ZVI粉末啟動時間由96天縮短至87天，系統(tǒng)內(nèi)Anammox活性呈現(xiàn)先抑制后促進(jìn)的規(guī)律，生長速率提高20%。但是，也有研究表明，盡管反應(yīng)器內(nèi)投加nZVI（3g/L、60nm）能夠顯著促進(jìn)Anammox菌繁殖，但是投加nZVI不能縮短Anammox啟動時間[31]，分析ZVI對氨氧化菌（ammonium oxidation bacteria，AOB）及反硝化菌（denitrifier bacteria，DB）的繁殖均具有一定的促進(jìn)作用[32]。在反應(yīng)器啟動初期，接種污泥中AAOB含量很少、活性很低，AOB及DB與AAOB競爭基質(zhì)氨氮，導(dǎo)致nZVI不能縮短反應(yīng)器啟動時間。初始接種污泥不同、nZVI投加量不同導(dǎo)致實驗結(jié)果不一致。Anammox反應(yīng)器中加入鐵電極，提高電極電壓0.6V時，可提高脫氮性能，加速系統(tǒng)啟動，鐵電極表面富集大量AAOB[32]，電壓高于0.8V，系統(tǒng)脫氮性能下降。

表1 鐵元素對厭氧氨氧化脫氮效能的影響

盡管脫氮系統(tǒng)啟動時間不一定會有顯著差異，但是，投加單質(zhì)Fe確定會促進(jìn)AAOB的生長，其作用機(jī)制有以下幾方面。第一，通過消耗溶氧量（DO），降低系統(tǒng)內(nèi)氧化還原電位，為AAOB提供適宜的生存環(huán)境[30]；第二，鐵單質(zhì)氧化釋放Fe2+，能夠有效壓縮膠體污泥的雙電層，降低zeta電位，有利于污泥形成凝聚成顆粒；第三，單質(zhì)鐵有利于分泌胞外聚合物（extracellular polymeric substances，EPS），增 強(qiáng)AAOB的 顆 粒 化 程度[14,15,33]。顆粒污泥的形成一方面高效地截留了微生物，另一方面，改變了功能微生物的空間分布，影響微生物的活性[34]，顆粒粒徑0.5～0.9mm具有最大的比厭氧氨氧化活性[60.6mgN/(gVSS·h)]，微生物分泌的EPS能避免外界物質(zhì)進(jìn)入細(xì)胞體內(nèi)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，從而保護(hù)細(xì)胞結(jié)構(gòu)[35]。

1.1.2 運(yùn)行

1.2 鐵單質(zhì)對厭氧氨氧化微生物群落的影響

nZVI因特殊的表面效應(yīng)，對微生物群落的影響較ZVI更為明顯?；钚晕勰嘀形⑸锝M成會隨著nZVI濃度的增長（0.2～200mg/L）發(fā)生改變[46,61]。Zhang等[16]發(fā)現(xiàn)當(dāng)流入nZVI的濃度增加到5mg/L，Planctomycetes的相對豐度從33.92%增加到40.11%，而Proteobacteria相對豐度從31.6%下降到27.1%。當(dāng) 進(jìn) 水nZVI濃 度 增 加 到20mg/L，Planctomycetes的 相 對 豐 度 降 至36.5%，而Proteobacteria含量增加到31.1%。微生物多樣性分析表明，隨著進(jìn)水nZVI濃度的增加，Anammox的群落豐富度先增加后降低，Shanon指數(shù)也呈現(xiàn)先增加后減少的趨勢[16]。nZVI降低氧化還原電位，增加環(huán)境介質(zhì)的酸堿度，并產(chǎn)生H2[62]，這可能對某些微生物的生長繁殖有利。盡管，nZVI在一定程度上影響了微生物組成，提高Candidatus Brocadia在群落中的相對豐度[30]，但是不改變Anammox體系中的主要功能菌（Candidatus Brocadia）[16]。

綜上，在某種程度上，nZVI會改變AAOB數(shù)量在微生物群落中的含量[14]，但鐵對AAOB的結(jié)構(gòu)和主要功能菌種的影響不大，因鐵元素的獨(dú)有特性，可營造適宜微生物生存的條件，從而促進(jìn)脫氮菌生長，影響微生物群落中菌種相對豐度變化。

2 鐵離子對厭氧氨氧化脫氮效能的影響

鐵離子是微生物代謝過程中的基本底物，通過EPS的分泌來加強(qiáng)微生物的聚集[33,63]。避免AAOB被沖刷[15]，有助于生長緩慢的AAOB的增殖。但是，過量鐵離子長時間滯留可能產(chǎn)生氫氧化物沉淀，嚴(yán)重的話可能發(fā)生芬頓效應(yīng)[15]。所以探究鐵離子對Anammox的影響，不僅要考慮其對微生物的作用機(jī)理，還要從可能發(fā)生的化學(xué)反應(yīng)層面分析。

2.1 鐵離子對厭氧氨氧化活性的影響

鐵能以還原亞鐵或Fe(Ⅲ)的形式存在，F(xiàn)e(Ⅱ)/Fe(Ⅲ)作為催化劑或電子載體被廣泛應(yīng)用于蛋白質(zhì)的合成代謝中[64]?？扇苄澡F（鐵離子）是AAOB生活在缺氧環(huán)境中的主要鐵物種，AAOB呼吸中的電子傳遞系統(tǒng)由Fe(Ⅲ)還原和Fe(Ⅱ)氧化支持，鐵離子參與鐵硫蛋白、細(xì)胞色素C的生物合成和氮轉(zhuǎn)化過程[10]。作為參與Anammox物質(zhì)轉(zhuǎn)化的主要功能菌屬，Candidatus Kuenina、Candidatus Brocadia和Candidatus Scalindua可以厭氧氧化Fe2+同時將硝酸鹽還原為氮?dú)鈁13,55]。AAOB需要產(chǎn)生超過總細(xì)胞蛋白20%的含血紅素的酶用于日常代謝，而鐵離子又是含血紅素酶（如細(xì)胞色素C蛋白、肼合酶和肼脫氫酶）的重要組成部分[65]。因此，水處理體系內(nèi)的鐵離子是影響AAOB菌活性的一個重要因素。

2.1.1 Fe2+和Fe3+對厭氧氨氧化活性的短期影響

AAOB依賴于一組特定的血紅素來實現(xiàn)自身的新陳代謝，如肼合酶和肼脫氫酶[21]。其中，肼合酶是Anammox最重要的特征之一，它催化氨和一氧化氮產(chǎn)生肼；經(jīng)脫氫酶氧化肼產(chǎn)生氮?dú)?，并為亞硝氮還原和肼合成提供電子[66]。鐵離子作為Anammox污泥培養(yǎng)的基本元素，影響AAOB的生長[67]，同時，AAOB可以通過依賴鐵的硝酸鹽還原生成亞硝酸鹽[57]和銨[15,68]進(jìn)而提高Anammox脫氮效果?；诖?，Anammox耦合鐵離子能表現(xiàn)出更高的反應(yīng)活性和脫氮性能。

李祥等[18]將進(jìn)水Fe(Ⅱ)濃度從0增加到5mg/L時，能明顯降低出水氨氮和亞硝氮的濃度，還發(fā)現(xiàn)Fe(Ⅲ)濃度變化對Anammox污泥活性的短期影響基本與Fe(Ⅱ)一致。Liu和Ni[67]通過批量實驗發(fā)現(xiàn)，適當(dāng)添加Fe(Ⅱ)會提高AAOB的比生長率。但是，當(dāng)Fe2+濃度達(dá)到0.18mmol/L（10.08mg/L）時，AAOB的活性會受到明顯的抑制[69]。袁新明等[25]短期投加Fe(Ⅲ)可提高氮去除率且當(dāng)濃度提升至6mg/L以上時，脫氮效能達(dá)到最大值0.264g/(g·d)。在進(jìn)水Fe(Ⅲ)為15～40mg/L時，出水氨氮與亞硝氮濃度并未出現(xiàn)較大的波動，高濃度Fe(Ⅲ)并未對污泥活性產(chǎn)生過高的抑制作用。以上實驗溫度為常溫（30℃以上），低溫下Anammox脫氮系統(tǒng)對鐵的需求量又有所不同。張碩[70]通過批試驗證明，在15℃時，F(xiàn)e2+投加濃度為0.16mmol/L（8.96mg/L）對Anammox促進(jìn)作用最明顯。為Anammox菌提供足夠的營養(yǎng)元素是提高低溫脫氮性能的關(guān)鍵，Li等[71]探究了Fe(Ⅲ)濃度對富含海洋厭氧氨氧化菌（marine anammox bacteria，MAB）系統(tǒng)脫氮性能的影響，發(fā)現(xiàn)當(dāng)Fe(Ⅲ)大于50mg/L時，1～1.5h內(nèi)最大底物轉(zhuǎn)化率由1.85kg/(m3·d)提高到2.55kg/(m3·d)。

綜上，F(xiàn)e2+和Fe3+對Anammox活性的短期影響基本相同，并未因價態(tài)變化表現(xiàn)出顯著的差異性，適當(dāng)投加Fe2+可顯著提高Anammox活性、提高細(xì)菌生長速度。不同環(huán)境溫度下，短期內(nèi)Anammox脫氮系統(tǒng)對鐵的需求量會存在差異。值得注意的是，Anammox是一個產(chǎn)堿的過程，短時間內(nèi)能產(chǎn)生氫氧化物保護(hù)污泥活性，避免高濃度游離態(tài)金屬離子和羥基自由基對微生物細(xì)胞的不利影響。

2.1.2 Fe2+和Fe3+對厭氧氨氧化活性的長期影響

鐵離子是AAOB生長的必要元素，在Van der Graaf等[73]的營養(yǎng)元素配比中，F(xiàn)e(Ⅱ)濃度為0.03mmol/L，但是試驗證實0.03mmol/L的Fe(Ⅱ)濃度并不能滿足細(xì)胞血紅素合成和能量傳遞。所以，適當(dāng)增加Fe2+濃度促進(jìn)Anammox生物量的增長[19]。Wang等[74]發(fā)現(xiàn)Fe(Ⅲ)濃度（0.04～0.1mmol/L）能顯著促進(jìn)特定AAOB生長速率從0.143d-1提高到0.1709d-1，而當(dāng)濃度進(jìn)一步增加到0.14mmol/L時，特定AAOB生長速率從0.1709d-1下降到0.1411d-1。

Qiao等[19]將進(jìn)水Fe(Ⅱ)濃度調(diào)為0.09mmol/L（3.36mg/L）時，總氮去除率較正常Fe(Ⅱ)濃度（0.03mmol/L）提高32.2%，與張蕾等[20]、Zhang等[17]和張黎等[22]的研究結(jié)果相吻合，并且適量的Fe(Ⅱ)能增加MLVSS（混合液揮發(fā)性懸浮固體濃度，mixed liquid volatile suspended solids）[20]和樣品中亞鐵血紅素C含量[22]。李祥等[18]還發(fā)現(xiàn)同樣物質(zhì)的量濃度的Fe2+比Fe3+更有利AAOB富集。為避免Fe2+被進(jìn)一步氧化，可以在反應(yīng)器內(nèi)加入少量鐵塊，防止Fe2+轉(zhuǎn)化為Fe3+。所以，只有在適當(dāng)?shù)臐舛确秶鷥?nèi)添加鐵離子才能有效的提高微生物脫氮性能。

相關(guān)研究報道，常溫下，0.09mmol/L的Fe(Ⅱ)在短時間或長時間內(nèi)均可以顯著提高生物脫氮效能。然而張碩[70]提出，在15℃時0.16mmol/L（8.96mg/L）的Fe2+在短時間內(nèi)能刺激Anammox菌活性并顯著提高脫氮效能；但是，連續(xù)投加濃度為0.16mmol/L的Fe2+對反應(yīng)器脫氮效能產(chǎn)生抑制作用，降低Fe2+投加濃度為0.08mmol/L，反應(yīng)器脫氮效能逐漸恢復(fù)并趨于穩(wěn)定。低溫下，Anammox脫氮系統(tǒng)短期內(nèi)對鐵的需求量不同，可能是因為低溫嚴(yán)重抑制了微生物活性，然而高濃度的金屬離子可以瞬時刺激Anammox菌從而提高脫氮效果。但是，長期試驗過程中金屬離子具有累積作用并會富集在菌種表面和內(nèi)部，而且高濃度金屬離子對細(xì)胞具有毒害作用，損害細(xì)胞內(nèi)功能酶，最終導(dǎo)致細(xì)胞失活，使系統(tǒng)脫氮效能下降。Liu等[24]發(fā)現(xiàn)，當(dāng)Fe(Ⅱ)或Fe(Ⅲ)濃度超過1.3mg/L或0.4mg/L時，AAOB脫氮效果顯著降低，這與Qiao等[19]報道的結(jié)果存在顯著差異?？赡茉蛉缦拢菏紫?，Liu等[24]的研究中DO始終保持在(0.6±0.1)mg/L，易產(chǎn)生三價鐵離子，長期運(yùn)行過程中，鐵氧化物沉淀覆蓋微生物表面，阻滯反應(yīng)的進(jìn)行；其次，AAOB種類不同，Qiao等[19]的研究中的AAOB菌株為KSU-1，Liu等[24]的研究中并未詳細(xì)說明AAOB種類，值得注意的是，Qiao等[19]處理的是合成廢水，而Liu等[24]處理的是真正的垃圾滲濾液，其中含有很多復(fù)雜的成分。

實驗證明，鐵離子有利于反應(yīng)器對底物基質(zhì)的去除。Fe2+對Anammox污泥活性的刺激作用明顯高于Fe3+并更有利于AAOB的生長富集。短時間內(nèi)，不同價態(tài)的鐵離子對Anammox菌活性的影響基本相同，然而不同溫度下，Anammox體系對鐵的需求量不同。連續(xù)實驗中，無論外界條件如何，鐵離子最適宜的濃度范圍依舊是(0.03～0.09)mmol/L，另外，過量的鐵離子會抑制血紅素的增加進(jìn)而抑制脫氮效果。

2.2 鐵離子對厭氧氨氧化微生物群落的影響

微生物對環(huán)境因素有耐受性，在成功啟動Anammox裝置后，逐步投加Fe(Ⅱ)的連續(xù)實驗中，Candidatus Kuenenia的相對豐度略有增加[7,17]。除此之外，F(xiàn)e(Ⅱ)也有利于其他微生物的生長繁殖，亞硝化單胞菌在高濃度Fe(Ⅱ)負(fù)荷下略有增加，表明亞硝化單胞菌對高濃度金屬離子的敏感度低[17]；在含有低濃度Fe(Ⅱ)的Anammox反應(yīng)器的污泥樣品中也可以檢測到反硝化細(xì)菌[7]。作為Anammox系統(tǒng)的主要微生物，Planctomycetes耐高濃度Fe(Ⅲ)（大于0.1mmol/L）的能力強(qiáng)，適當(dāng)投加Fe(Ⅲ)（0.04～0.1mmol/L）對Planctomycetes中的Anammox細(xì)菌種類增加可能更有利[74]。

微生物是生化反應(yīng)順利進(jìn)行的必要參與者，某種程度上，鐵離子并不會對微生物群落組成造成太大的影響，但鐵離子會增加Anammox菌在微生物群落中的相對豐度，此外還有利于其他具有脫氮功能菌的生長。Anammox體系是一個菌群多樣的微生物環(huán)境，還需要進(jìn)一步探究金屬離子對不同微生物的影響。

3 結(jié)語

為實現(xiàn)市政污水的有效脫氮，厭氧氨氧化工藝因其低耗高效的優(yōu)勢將在生物處理過程中得到更廣泛的應(yīng)用。鐵是微生物生長的必要元素，能更好地促進(jìn)細(xì)胞色素C合成、有利于污泥顆粒的形成和厭氧氨氧化菌富集、強(qiáng)化微生物脫氮效果，從而有助于反應(yīng)器快速啟動和有效運(yùn)行。厭氧氨氧化系統(tǒng)中微生物種類多樣且能夠利用不同價態(tài)的鐵離子實現(xiàn)氮在不同途徑中的轉(zhuǎn)化和去除，進(jìn)一步實現(xiàn)氮的有效去除和鐵的循環(huán)利用，提高微生物對廢水中含氮污染物的去除效果。

然而近些年文獻(xiàn)中關(guān)于鐵對微生物脫氮影響的報道多關(guān)注于現(xiàn)象研究和實驗應(yīng)用，而關(guān)于鐵對提高微生物脫氮的作用機(jī)制和對凈化市政污水的實際應(yīng)用還不夠全面。結(jié)合目前已有研究，本文提出了以下幾點(diǎn)未來研究的主要方向：①低溫是制約厭氧氨氧化工藝在大陸季風(fēng)氣候區(qū)域市政污水處理中廣泛應(yīng)用的重要因素，故在實際應(yīng)用過程中可以考慮投加鐵來強(qiáng)化厭氧氨氧化低溫脫氮的效能。值得注意的是，在應(yīng)用操作中要結(jié)合實際研究規(guī)模和每日處理水量，調(diào)節(jié)鐵的添加濃度和投加方式，以避免鐵過量對體系產(chǎn)生不利影響，且更需要探索和采取提高厭氧氨氧化活性的方法，以利于工藝穩(wěn)定運(yùn)行。②借助同位素示蹤標(biāo)記氮的轉(zhuǎn)化途徑，利用基因組、轉(zhuǎn)錄組、蛋白組分子生物學(xué)研究方法考察Fe-Anammox系統(tǒng)中功能基因、差異蛋白、RNA變化，結(jié)合代謝組學(xué)深入檢測微生物分解、合成、代謝過程中的各類物質(zhì)并解釋代謝物變化的原因，從而探究鐵對微生物脫氮系統(tǒng)的影響，全面深入地揭示鐵在微生物細(xì)胞表面和內(nèi)部可能發(fā)生的反應(yīng)機(jī)制，為應(yīng)用鐵促進(jìn)廢水生物脫氮提供借鑒。