图文摘要
成果简介
近日，河海大学侯俊老师在《ChemicalEngineeringJournal》上发表了题为“Effectsofzerovalentirononnitrateremovalinanaerobicbioreactorwithvariouscarbon-to-nitrateratios:Bio-electrochemicalproperties,energyregulationstrategiesandbiologicalresponsemechanisms”的研究论文(DOI:10./j.cej..)，探究了不同碳氮比下零价铁强化厌氧生物反硝化的生物电化学性质、能量循环过程及生物响应机理。该研究基于不同低碳氮比（C/N）条件下ZVI耦合微生物体系对硝态氮的去除效能，提出利用ZVI的电子供体及铁氧化物电子载体的能力增强低C/N下耦合系统内生物电化学的活性、电子产生-传递-利用的效率，从而实现低碳氮比情况下高效的生物脱氮效果。全文速览
研究基于零价铁（ZVI）耦合厌氧生物脱氮反应器，通过调控反应器内C/N的值，探明不同C/N条件下ZVI对反应器内氮素组成及含量的影响，进一步从生物、化学、生化三个方面证实，低C/N情况下耦合系统内ZVI作为电子供体和电子穿梭体，促进了微生物内参与脱氮过程的电子产生、传递及消耗过程，提高了氧化磷酸化活性和能量代谢过程，进而显著提高了生物脱氮效率。该研究为推动ZVI耦合微生物处理低C/N排水中硝态氮的应用提供了重要参考。引言
目前，ZVI耦合厌氧微生物用于低C/N比农田排水中硝态氮的高效去除得到了一定的证实，但是有关ZVI耦合微生物脱氮过程中，生物电化学活性及能量循环过程仍不得而知。本研究设置了C/N为0、3.7和7.4三个反应条件，分别代表无碳源、碳源不足和碳源充足的情况，从生物、化学和生化三个方面分析生物脱氮过程相关的电子产生、传递和消耗过程，从氧化磷酸化和基质水平磷酸化两个方面阐释耦合系统内能量循环过程，系统揭示不同C/N下ZVI耦合厌氧微生物脱氮效率的变化规律及潜在机制。
图文导读
Figure1.Concentrationsof(A)NH4+,(B)NO2?,(C)NO3?duringdenitrificationprocessin36hexperimentinmono-microbesystems,ZVImodifiedmicrobesystemsandmono-ZVIsystemwithdifferentC/Nratios.(D)ThelevelofintracellularROSandRNSattheendofexperimentinbioreactorswithorwithoutZVIadditionwithdifferentC/Nratios.Resultsarerepresentedasaverage±standarddeviation(n=3).Theasteriskabovetheerrorbarsindicatessignificantdifferences(p0.05).与单一微生物体系相比，ZVI耦合生物反应器在0和3.7mgC/mgN条件下，NO3?浓度分别降至49.34和5.59mg/L，强化了TN的去除。而ZVI-生物反应器在7.4mgC/mgN条件下NO3?的累积量为53.93mg/L，明显高于相应的单一微生物体系。耦合系统中，7.4mgC/mgN下微生物内活性氧化物（ROS和RNS）水平显著提高，表明在碳供应充足的情况下，微生物生理活性下降是导致ZVI耦合生物反硝化活性降低的原因。Figure2.CharacteristicsofbiogenicandabiogenicFechemicalstatesattheendofthedenitrificationexperiment.(A-D)XPSpeaksoftotalelementanalysisinZVI-microbesatC/Nratioof0,3.7,7.4andthemono-ZVIsystematC/Nratioof0.(A1-D1)TheFe2porbitalanalysiscorrespondingtoA-D.(A2-D2)TheO1sanalysisrelativetoA-D.利用XPS对反应结束各反应器内ZVI表面铁氧化状态进行分析发现，显然，单ZVI对照和ZVI-微生物体系在7.4mgC/mgN时，ZVI表面的氧化态含有类似含量的Fe2+和Fe3+。相比之下，在0和3.7mgC/mgN条件下，微生物的存在缓解了铁表面的氧化，因为与Fe3+相关的峰面积减少。同样的，O1s光谱证实了氧以氧化铁或氢氧化物的形式结合。特别是在ZVI-微生物体系中，只有在C/N为3.7时出现了Fe(0)的峰。铁氧化物在ZVI表面的大量沉积，会阻碍其与微生物的相互作用，从而降低电子穿梭活性。Figure3.Electrochemicalanalysisof(A)activatedsludge,(B)extracellularpolymericsubstances(EPS)and(C)cellpelletsinmono-microbesandZVI-microbessystemwithC/Nof0and3.7attheendoftheoperation.(D)istheamplificationof(C)from-0.1to-0.7V.Thepurplearrowindicatesthescanningdirectionfrom-1.0to0Vandthenfrom0to-1.0V;theblueandreddottedlinesareappliedtomarkthereductiveandoxidativepeaks,respectively.利用电化学工作站对各反应器内活性污泥、胞外聚合物（EPS）和微生物细胞的电化学活性进行测定发现，与C/N为0和3.7时的单一活性污泥相比，ZVI改性体系CV曲线上还原峰的峰高均有显著提高，表明ZVI增强了厌氧反硝化菌的发电性能。值得注意的是，活性污泥的氧化峰与还原电流相比不明显，各单元之间保持不变。Ep=-、-和-mV(vs.Ag/AgCl/KClsat)处的峰对应黄素和Cytc的氧化还原敏感官能团。与3.7mgC/mgN时耦合系统中活性污泥的较高的电信号相反，耦合系统的C/N比为0时EPS和微生物细胞内电信号最强。这一矛盾的结果可能是由于活性污泥中生物或生化电子传递的共现造成的，这将在后续的试验中进行探究。值得注意的是，ZVI对EPS电化学活性的促进作用大于微生物细胞，说明EPS在耦合体系中作为微生物胞外电子传递的瞬态介质的关键作用。
Figure4.3D-excitation-emissionmatrixspectroscopy(3D-EEM)fluorescenceoftheextracellularpolymericsubstances(EPS)inmono-microbessystem(A,B)andZVI-microbessystem(C,D)withC/Nratioof0(A,C)and3.7(B,D)attheendoftheexperiment.比较两种单生物反应器，C/N为3.7时，EPS峰值强度高于C/N为0时，说明碳源对EPS的分泌具有促进作用。然而，在ZVI的存在下，EPS光谱中的c峰在反应结束时消失。此外，耦合系统中a峰和b峰的强度低于对照，而代表富里酸（FA）的d峰的强度明显增加。研究发现，腐殖质电化学还原后荧光峰强度会增加。腐殖质在大多数生物地球化学氧化还原过程中扮演着细胞外电子穿梭的角色，有利于电子的长距离传递。因此，在碳源缺乏的情况下，ZVI提高了生物合成FA，这可能是ZVI与反硝化菌群之间的主要电子介质。此外，与氨基酸分解转化相关的FA的分泌被推断为EPS中新蛋白样物质的还原的原因。
Figure5.SchematicdiagramofmicrobiallyandbiochemicallymediatedelectrochemicalbehaviorinbioreactorswithorwithoutZVIadditionundercarbonsourcelimitationorsufficientconditions.(I)Theelectrontransportationandutilizationprocessinbiodenitrificationprocedures.(II)ThepromotingeffectsofZVIondenitrificationprocessintermsofelectrondonatingandtransportingwithlimitedcarbonsourcesupply.(III)ThedevastatingeffectsofZVIonbiologicaldenitrificationperformanceduetotheinducedcellencrustationandoxidativedamagewithadequatecarbonsourceinputs.本研究探讨了不同碳氮比条件下SBR中ZVI强化生物脱氮过程中的生物电化学行为和能量合成。主要结论如下，如图5所示：在C/N为0和3.7时添加ZVI显著增强厌氧生物反应器内硝酸盐的去除，而在7.4mgC/mgN下硝酸盐还原效率受到抑制，因为细胞内产生过量的活性氧化物。ZVI耦合微生物系统在0和3.7mgC/mgN，ZVI表面产生铁氧化物过程连续提供的电子参与硝酸盐还原的生物电化学过程（图5-I）。细胞膜上生物合成的含Cytc和黄素的蛋白以及EPS中的FA作为电子介质，在促进生化电子转移方面发挥着重要作用（图5-II）。基质水平磷酸化过程和生物电化学介导的氧化磷酸化促进了耦合系统在0和3.7mgC/mgN下的能量循环（图5-I）。在碳源充足情况下（7.4mgC/mgN），大量Fe2+被运送到微生物细胞内，其与亚硝酸盐在细胞质内发生的高反应活性导致细胞结壳和氧化损伤，氮去除效率下降（图5-III）。
小结
该工作证实了ZVI在低C/N比情况下强化厌氧生物反应器去除硝态氮过程中发挥的电子供体和电子穿梭体的作用，阐明了ZVI耦合厌氧微生物强化硝态氮去去除的生物电化学过程，揭示了耦合系统内能量代谢水平及变化规律，探明了微生物生理代谢过程对外加ZVI的响应机制。该研究有望为进一步推动ZVI强化低C/N比排水中生物脱氮过程提供理论基础和技术参考。
作者介绍
侯俊：教授，博士生导师，国家“万人计划”科技创新领军人才、国家优秀青年基金获得者。主要从事河湖水质改善与生态修复工程、水生态修复机制与环境效应、新型材料特性及环境效应等方面的研究与应用工作。近年来主持国家自然科学基金优青项目1项、面上项目2项和青年项目1项、国家重点研发计划课题1项等。已发表学术论文余篇，其中SCI论文余篇（第一或通讯作者80余篇），H指数为36。获国家科技进步一等奖1项（排名第3）、国家技术发明二等奖1项（排名第3）和国家科技进步二等奖2项（排名第9、10），省部级科技奖励9项。电子邮箱：hjy_hjhhu.edu.cn，hhuhjyhj.