浙江工业大学李军团队Bioresource Technology：铁碳对絮体和好氧颗粒污泥氮代谢的作用

第一作者：潘宽

通讯作者：李军

通讯单位：浙江工业大学环境学院

原文链接：https://doi.org/10.1016/j.biortech.2024.131376

图文摘要

成果简介

近日，浙江工业大学环境学院李军团队在环境领域学术期刊Bioresource Technology上发表了题为“Effects of iron-carbon on nitrogen metabolism of floc and aerobic granular sludge”的学术论文。在本研究中，四个反应器分别添加50、30、10、0 g/L的IC，在相同的操作模式下，总氮去除效果随IC投加量而增加。IC提高了污泥的氨氧化速率、反硝化速率和比摄氧速率，这使系统中SND提前60min结束，潜在的降低了废水处理成本。值得注意的是，IC消除了常规AGS出水的亚硝酸盐积累。IC减少了NOR表达的基因和酶活丰度，而NOS上升，这可能减轻微生物形成氧化亚氮（N2O）的潜力。IC作为酶促反应的激活剂对颗粒的作用强于絮体，二者的差距随IC投加量的增加而逐渐缩小。特殊结构使颗粒具有更高的微生物多样性，IC产物在细胞表面形成矿物结壳而抑制微生物的代谢活性，而颗粒具有更强的耐冲击和适应性。

引言

AGS具有好氧/厌氧共存的结构，为复杂的微生物群体提供了栖息地和生化反应场所。AGS在单一反应器中进行SND，减少处理步骤，具有卓越的脱氮性能。IC是一种良好的强化污泥脱氮性能的材料。在低有机碳负荷下，IC会富集铁氧化菌（如Sphaerotilus和Ferriphaselus）和氢细菌（如Hydrogenophaga）进行自养反硝化。对于混合营养体系，自养菌的富集是有限的。IC在有氧情况下迅速氧化为不溶性铁（氢）氧化物，溶解的还原性铁有限，导致发挥铁自养反硝化的能力微弱。当条件不满足自养菌富集时，异养反硝化菌中氮代谢相关的酶活性同样会被铁调控。这说明IC是通过刺激污泥硝化和反硝化能力而促进脱氮。调控氮代谢路径中酶合成的基因往往与铁有关。例如，微生物的nosZ丰度会被Fe2+浓度影响，而减少N2O的产生。此外，IC会促进污泥形成AGS。本研究倾向于关注IC对于微生物氮代谢的影响。通过污泥活性和生信分析对IC在微生物氮代谢中的作用进行了解析，并解释其内在机制。进一步强调了AGS反应器中颗粒和絮体在氮代谢之间的差异。此外，通过批次实验初步探索微生物对铁(氢)氧化物和溶解性亚铁的应激反应和长期适应下氮代谢功能的变化。

图文导读

四个AGS反应器中污泥的活性差异

四个SBR中污泥的AOR、DNR和SOUR同步变更(Fig. 1)。颗粒化稳定阶段R50、R30、R10、R0的AOR分别达到8.64±0.21、5.93±0.05、5.17±0.07、4.40±0.14 mg NH4+-N/g vss·h，DNR分别达到19.33±0.47、16.05±0.57、12.26±0.31、10.35±0.61 mg NO3--N/g vss·h。IC提高了污泥的AOR使NH4+-N更快被完全硝化，这无疑缩短了颗粒内部可供反硝化作用的时间，但IC同时也提高了污泥的DNR。也就是说，IC同时提高污泥的AOR和DNR使AGS在更短的时间内进行SND，导致TN达到更高的去除量。

AOR提高的同时影响硝化细菌摄氧速率，SOURAOB和SOURNOB同步提高(Fig. 1c)。在该研究中，AOR是以单位时间NH4+-N去除量来表示的，而AOB是负责将NH4+-N氧化为NO2--N的细菌。NOB不仅可以获得AOB氧化产生的NO2--N，还可以获得反硝化菌还原的NO2--N。这种NO2--N循环促进NOB的生长，其重要性可能超过AOB。IC显著提高了污泥的SOURNOB(p < 0.001)，这促使NO2--N转化加快，结果是减少了出水NO2--N的积累。

 颗粒的AOR低于絮体，而DNR刚好相反，IC投加量越多絮体和颗粒之间的AOR和DNR差异越小(Fig. 1d, e)。IC对颗粒的作用强于絮体。颗粒依赖絮体维持系统中更高的摄氧活性，尤其是硝化细菌。常规AGS反应器中颗粒的SOURAOB和SOURNOB均要低于絮体，而IC的加入打破了这一规律(Fig. 1f)，并且随着投加量的增加颗粒的SOURNOB逐渐超过絮体。

图1. 四个反应器运行期间污泥的(a) AOR、(b) DNR、(c) SOUR变化；四个反应器中絮体与颗粒的(d) AOR、(e) DNR、(f) SOUR差异。

微生物多样性分析

IC丰富了污泥中的物种数量。Shannon和Simpson指数表明投加IC的反应器中污泥的微生物多样性更加丰富。按样本获取时间将样本分组进行PCoA分析发现微生物群落结构是同时变化（Fig. 2a），而颗粒化后的污泥随IC投加量与种子污泥的距离越远。颗粒与絮体各自成组，同一反应器中颗粒和絮体之间距离随IC投加量越近（Fig. 2b）。这说明IC使微生物群落结构发生变化，并且缩小了颗粒与絮体的微生物群落差异。对微生物表型预测发现IC提高了形成生物膜功能的相对占比（Fig. 2c），并且该功能在颗粒中占比高于絮体。

四个反应器中微生物在门水平上Bacteroidota、Chloroflexi、Planctomycetota、Proteobacteria均出现过大于10%的相对丰度（Fig. 2d）。污泥颗粒化后Thauera和norank_o__mle1-8相对丰度急剧减少，氨氧化细菌unclassified_f__Comamonadaceae和norank_f__NS9_marine_group成为优势属。Hyphomicrobium、Hydrogenophaga、SWB02、Immundisolibacter、Novosphingobium、norank_o__Dadabacteriales、norank_f__PHOS-HE36、norank_f__Caldilineaceae在所有颗粒化阶段的样本中的相对丰度均存在大于1%。颗粒和絮体之间的优势菌种完全相反（Fig. 2e），它们具有不同的硝化和反硝化优势菌群。Candidatus_Competibacter在四个反应器中的颗粒中丰度为16.8-28.5%，絮体中为1.8-8.4%。unclassified_f__Comamonadaceae在四个反应器中的颗粒中丰度为1.0-5.3%，絮体中为17.4-28.2%。这是样本中差异最显著的两个属，并且它们都具有氮代谢的性能。

图2. (a)造粒前后污泥的PCoA；(b)颗粒和絮凝体的PCoA；(c) BugBase表型预测；(d)在门水平上微生物群落的相对丰度；(e)颗粒组与絮体组差异的显著性检验(*p < 0.05表示差异显著)；(f)所有样品中属水平主要微生物的相对丰度(每个样品的相对丰度前10名)。

基因和代谢途径分析

通过宏基因组学分析氮代谢(ko00910)路径相关的基因变化（Fig. 3），并根据功能分类(模块)重绘了单元集。主要关注硝酸盐同化(M00615)；硝酸盐同化还原(M00531)；硝酸盐异化还原(M00530)；反硝化(M00529)；固氮(M00175)；完全硝化(M00804)。本研究中与这些模块相关的基因共检测出36种，KEGG 同源基因(KO)编号和基因描述见Table S6。IC对参与氮代谢的基因的影响不完全是相同趋势（Fig. 3a）。

氨氧化菌通过AMO将氨氧化成羟胺(NH2OH)而激活氨，再通过HAO将NH2OH氧化成亚硝酸盐。污泥颗粒化后基因amoA/B/C和hao明显提高，但IC的作用在四个SBR中差异性不大。亚硝酸盐在NXR的作用下氧化，这是产生硝酸盐的主要生化途径。AGS系统中颗粒的nxrA/B明显增加，并且IC投加量与NXR呈正相关。

按照产物的去向，硝酸盐还原分为硝酸盐同化还原和硝酸异化还原。硝酸盐同化还原由硝酸转运蛋白（NRT）将硝酸盐转运到细胞内，总体上IC促进了该过程，使硝酸盐更多的进入细胞进行下一阶段（Fig. 3b）。硝酸盐在同化性硝酸还原酶（NAS）和NAR共同作用下转化为亚硝酸盐。IC抑制了narB，而促进了nasA/B。参与NAS合成的基因丰度远高于NAR（4-13倍），这说明在M00531中硝酸盐更多的是被NAS转化为亚硝酸盐。硝酸盐异化还原不以合成细胞物质为目的，根据产物不同分为硝酸盐异化还原到氨和反硝化。硝酸盐还原为亚硝酸盐在M00530和M00529中共用基因组，由参与NAR和NAP的基因控制。NAP是好氧反硝化酶，可以在有氧条件下进行反硝化。AGS系统中napA/B仅在R30和R10中增加相比于R0，并且絮体中明显多于颗粒。絮体中好氧反硝化的基因被提高，但反硝化中控制厌氧反硝化酶合成的基因（narG/H/I/V/Y/Z）依然占主导地位。显然，颗粒中NAR远多于絮体，并且IC在颗粒中对NAR的增加比絮体明显。

亚硝酸盐在NIR催化下还原，M00531(nirA)、M00530(nirB/D)、M00529(nirK/S)中参与NIR合成的基因组成不同导致产物不同。反硝化中亚硝酸盐还原为NO，从而将废水中的氮转变为气态氮。NO在NOR作用下还原为N2O。N2O形成和转化由NOR和NOS控制。结果表明，IC均提高了参与NOR和NOS的基因丰度，但颗粒中norB/C丰度比絮体少，而颗粒中nosZ更多。这表明，颗粒相比于絮体具有形成N2O更少但更强的N2O转化能力。还原产生的氮气通过固氮作用变为氨，IC加强了该过程，并且在颗粒中更明显。基因丰度结果表明，在整个氮循环网络中主导硝酸盐还原的路径是硝酸盐异化还原。硝酸盐异化还原为氨(M00530)与氨完全硝化(M00804)相循环，产生的一部分硝酸盐被反硝化(M00529)路径转化，最终转化为氮气。

图3. (a) 4个反应器在第60天的未颗粒化污泥、第160天的絮体污泥和颗粒污泥(F160, G160)中与ko00910相关的基因丰度。(b)根据模块重新绘制单元集。在基因柱状图中，样本从左到右的顺序与(a)相同，基因丰度为模块中具有相同功能的基因的总和。

关键酶活化性

硝化和反硝化是废水生物脱氮的主要路径，分别检测四个反应器的颗粒和絮体中脱氮路径关键酶的含量以表达IC对氮代谢能力的影响（Fig. 4）。硝化路径中，颗粒污泥中AMO随投加量增加而增加（Fig. 4a），其差异和AOR相符，说明AMO含量与AOR呈正相关。虽然宏基因结果表明IC使hao丰度下降，然而，作为高铁细胞色素C的HAO在IC的作用下含量增加（Fig. 4b），但IC对于HAO的作用在颗粒和絮体之间差异并不显著。NO2--N分别在NXR催化氧化和NIR催化还原下转化为NO3--N和NO，其活性都将影响NO2--N积累。显然，IC提高了NXR和NIR活性(Fig. 4c, f)，并且随着IC投加量提高，颗粒的NXR和NIR活性逐渐提高并超过絮体，导致添加IC的体系中NO2--N不被积累。

完整的反硝化路径中，常规的AGS反应器中絮体的NAP比颗粒多，而IC扭转了这一规律并提高了其含量（Fig. 4d）。NAR、NIR、NOR都含有铁作为活性中心，铁可以在酶的电子传递链和配基中作为电子受体，从而增强微生物群落的代谢活性。系统中NAR的含量大约是NAP的两倍（Fig. 4e），厌氧反硝化占主导地位。IC同步提高颗粒和絮体的NAR，颗粒中的NAR始终多于絮体。IC对污泥在NOR和NOS的作用是相反的（Fig. 4g, h）。IC削弱了污泥的NOR活性，而促进了NOS活性。并且更多的IC投加量使这个结果在颗粒中比絮体更明显。NO2-的积累是抑制NOS活性的主要因素，而本研究中NO2-积累随IC投加量显著减少。显而易见，减少NO2-积累和改善污泥的酶活性可以减少N2O形成的潜力。IC可能发挥减少系统中N2O形成的潜力，并且IC培养的颗粒比絮体具有更低的N2O形成潜力。

图4. 氮代谢关键酶活性：(a) AMO; (b) HAO; (c) NXR; (d) NAP; (e) NAR; (f) NIR; (g) NOR; (h) NOS。

IC产物对微生物群落的影响

IC在有氧条件下氧化释放铁离子，水解会导致不溶性(氢)氧化物的沉淀，形成铁泥。反应器若没有主动排泥，这将持续作用于污泥中。铁泥以纳米球状无定形铁氧化矿物包裹在细胞表面，由此形成矿物结壳会阻碍微生物摄氧从而抑制代谢活性。为了探索IC产物对微生物群落的影响，向反应器中投加铁泥粉末（ISP）和FeCl2。在长期运行下，微生物群落和功能发生变化（Fig. 5）。

三个反应器的污泥样本（A：对照组；B：ISP；C：FeCl2）分别成组进行PCoA（Fig. 5a）。C组各样本距离最近，表明Fe2+对微生物群落结构影响不显著。反观B组各样本距离远，特别是B20偏离B40和B60，这可能是由于微生物对ISP的应激反应导致群落结构显著变化，但微生物可以逐渐适应高负荷的ISP并逐渐恢复群落结构。ko00910丰度变化表明ISP和Fe2+均具有提高氮代谢路径的能力（Fig. 5b），但持续的ISP投加使氮代谢能力在第60天下降，在具体的模块中也具有这样的规律。A和C组的代谢能力在60天的运行中均保持稳定提高（Fig. 5c）。从硝酸盐跨膜运输发现第20天ISP的M00615丰度下降相比于其他组，说明ISP造成的矿物结壳会影响细胞膜的渗透性。长期运行下，微生物逐渐适应ISP并迅速提升代谢能力。尤其在氨氧化和硝酸盐还原的路径中，40天的模块丰度远高于20天，ISP促进微生物代谢的影响超过Fe2+。铁矿物沉淀在细胞外，可以通过增强质子动力来增加细胞代谢能量的产生。持续的ISP投加到第60天达到7 g/L，高含量的ISP也会使微生物代谢能力略微下降，但依旧强于对照组。综上，ISP和Fe2+均具有提高氮代谢的作用，而投加ISP的污泥的代谢能力需要经历一个适应再激增的过程。

图5. (a)样本组中PCoA的差异。PICRUSt2函数预测(b)氮代谢丰度和(c)模块丰度的变化。

小结

IC培养的OS形成了稳定的AGS，SND是氨氮和硝酸盐同时去除的主要机制。IC同时提高污泥的AOR和DNR使AGS在更短的时间内进行SND，从而达到更高的TN去除效率，潜在的减少了能源的消耗。硝酸盐异化还原是整个氮循环网络中主导硝酸盐还原的路径。IC提高了NXR和NIR活性，消除了常规AGS系统积累亚硝酸盐的现象。NOR活性下降和NOS活性提高削弱了N2O形成的潜能，颗粒形成N2O的潜能低于絮体。IC对颗粒的作用强于絮体。特殊结构使颗粒具有更高的微生物多样性，IC产物在细胞表面形成矿物结壳而抑制微生物的代谢活性，而颗粒具有更强的耐冲击和适应性。在实际生产时需要考虑IC投加量，过量的IC投加量无疑增加了填充率，并会形成更多的IC产物。根据结果，最佳IC投加量为30 g/L。

来源：AGS造粒师

作者：浙江工业大学李军团队

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