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水污染@铁对废水微生物脱氮的影响研究进展( 五 )


磁性纳米粒子投加到硝化反硝化脱氮系统的初期 ， 因其对微生物的急性生物毒性而抑制微生物脱氮；而由于活性污泥的自修复作用及磁性材料的磁效应对微生物的促进作用等 ， 磁性纳米粒子长期作用时将对微生物脱氮酶的活性及脱氮效果产生一定的促进作用[9] 。 在60mg/L磁性Fe3O4纳米粒子长期作用下 ， 序批式活性污泥反应器中氨单加氧酶AMO、亚硝酸盐还原酶NIR活性仍然受到一定程度的抑制 ， 分别比未添加磁性Fe3O4纳米粒子时降低了26%和13% ， 而亚硝酸盐氧化还原酶NXR和硝酸盐还原酶NAR活性则分别比未添加磁性Fe3O4纳米粒子时提高了16%和26% ， 而相应的氨氮去除效果几乎不受影响 ， 硝酸盐氮去除率有所提高[25] 。 另有研究表明50mg/L磁性纳米粒子长期作用于序批式活性污泥反应器时 ， 亚硝酸盐氧化还原酶NXR、硝酸盐还原酶NAR和亚硝酸盐还原酶NIR活性分别比未投加磁性纳米粒子时提高了12%、23%和27% ， 而氨单加氧酶AMO的相对活性则与对照组相似[9] 。 磁性纳米粒子的长期作用表现出对不同硝化或反硝化酶的或促进或抑制作用 ， 其中具体的作用机制有待研究者进一步研究 。
2.2 电子传递
铁是脱氮微生物细胞的电子传递载体细胞色素c、细胞色素bc1复合体等的活性中心[13,23,44,47] ， 通过还原态Fe2+与氧化态Fe3+之间的氧化还原循环过程实现单电子的传递[49] ， 在脱氮微生物电子传递系统中具有重要作用 。 铁也能够直接参与微生物脱氮过程中的电子传递 ， 促进氮的转化或去除 。 研究者在对厌氧氨氧化的研究中发现 ， 微生物能够利用Fe2+作还原剂或电子供体 ， 将硝酸盐氮还原为亚硝酸盐氮[17,45,50] ， 或利用Fe3+作电子受体 ， 将部分氨氮转化为亚硝酸盐氮或硝酸盐氮[17,51] ， 从而影响厌氧氨氧化的底物浓度 。 而在厌氧氨氧化与铁氨氧化、铁型反硝化耦合同时去除氨氮和硝酸盐氮的过程中 ， 相互转化的Fe2+和Fe3+分别起电子供体和电子受体的作用 ， 该过程涉及的氮转化与铁循环的化学式见表3[21] 。 还原性铁ZVI可作还原剂 ， 将硝酸盐还原为氨氮 ， 为厌氧氨氧化提供适宜的底物浓度 ， 同时去除了硝酸盐氮[8] 。 相对于传统的反硝化过程 ， 氢自养反硝化和铁自氧反硝化分别由铁参与反应产生的氢作为电子供体或铁直接作为电子供体 ， 在铁自身被氧化的同时 ， 实现硝酸盐的还原与去除[29,32] 。 铁作为电子供体或受体 ， 与各微生物脱氮过程之间的作用所涉及的化学式见表3 。
水污染@铁对废水微生物脱氮的影响研究进展
本文插图
2.3 微生物及微生物群落
铁是厌氧氨氧化菌生长的重要微量元素 ， 能够提高厌氧氨氧化菌活性、促进厌氧氨氧化菌增殖[17,45] ， 还原性铁ZVI可作脱氧剂 ， 消耗掉厌氧氨氧化系统中的溶氧 ， 为厌氧氨氧化菌的增殖提供厌氧环境[8] ， 铁离子（Fe2+、Fe3+）带正电荷 ， 因此能够吸附细胞表面带负电荷的厌氧氨氧化菌 ， 形成厌氧氨氧化颗粒 ， 促进微生物在反应器中的富集[17] 。 在添加mZVI或nZVI的厌氧氨氧化反应器中 ， 厌氧氨氧化菌细胞的丰度是不添加ZVI的对照组的近10倍[8] 。 在厌氧氨氧化生物滤池中 ， Fe2+的添加使厌氧氨氧化菌（Candidatus Kuenenia）的相对丰度由7.99%提高到11.30%[14] 。 在厌氧氨氧化与铁氨氧化、铁型反硝化耦合的脱氮过程中 ， Fe3+及Fe2+能够使具有氨氮氧化作用的铁还原菌假单胞菌（Pseudomonas）、地杆菌（Geobacter）和具有硝酸盐还原作用的亚铁氧化菌硫杆菌（Thiobacillus）得以富集 ， 在微生物群落中的相对丰度高于仅有厌氧氨氧化作用的对照组 ， 这些微生物相对丰度的增加与脱氮系统对氨氮及硝酸盐氮去除率的增加相一致[21] 。
铁也能够促进硝化或反硝化菌的增殖 ， 显著影响微生物群落结构 。 在序批式生物膜反应器中ZVI的加入使异养硝化菌产碱杆菌（Alcaligenes）在反应器细菌总数中的比例由36.5%显著提高到67.5%[24] 。 在序批式活性污泥反应器中Fe2+的添加能够提高亚硝化单胞菌（Nitrosomonas）及硝化杆菌（Nitrobacter）等自养硝化菌的相对丰度与生物量[9,47] 。 在序批式活性污泥反应器中 ， 随着磁性Fe3O4纳米粒子投加浓度由0逐渐增加到60mg/L ， 微生物的丰度与多样性也发生变化 ， 其中陶厄氏菌（Thauera）、丛毛单胞菌（comamonas）及生丝微菌（Hyphomicrobium）等反硝化菌在活性污泥微生物群落中的相对丰度呈增长趋势 ， 这与Fe3O4纳米粒子在60mg/L时对反硝化的促进作用相一致[25] 。 铁型反硝化过程中Fe2+能够富集铁型反硝化菌嗜酸菌（Acidovorax）和硫杆菌（Thiobacillus）等 ， 从而促进脱氮[42] 。 废铁屑的添加使得同时硝化反硝化脱氮系统中好氧反硝化菌包括陶厄氏菌（Thauera）、嗜热单胞菌（Thermomonas）、红杆菌（Rhodobacter）和生丝微菌（Hyphomicrobium）等的总相对丰度由不含废铁屑对照组中的1.452%增长到3.575% ， 好氧反硝化菌得以在反应器中富集并发挥反硝化作用 ， 进而促进同时硝化反硝化过程的实现 ， 提高微生物的脱氮效果[44] 。


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