水污染@铁对废水微生物脱氮的影响研究进展( 六 )
2.4 生物膜、污泥絮体及颗粒的形成
在厌氧氨氧化生物滤池中 ， Fe2+对厌氧氨氧化菌的活性与增殖等的促进作用使得反应器中形成的生物膜转变为红色且更加紧实[14] 。 铁离子还能够通过混凝和絮凝作用改善污泥的沉降性能 ， 促进微生物脱氮[27] 。 Fe2+和Fe3+都是有效的活性污泥絮凝剂 ， 与Fe3+相比 ， 投加Fe2+的污泥中絮体菌丝更紧密 ， 沉降性能更好[53] 。 铁对于脱氮系统污泥颗粒的形成具有重要作用 ， 研究表明在活性污泥脱氮反应器中 ， 不同形态铁的投加能够促进污泥颗粒的形成 ， 增强污泥颗粒的稳定性 ， 主要表现在：①Fe3O4等可作污泥颗粒化的核心[17,54] ， 铁离子带正电荷 ， 中和微生物表面负电荷 ， 促进微生物的聚集[18,54] ， 同时作为桥联离子 ， 与胞外多糖聚合物形成网络 ， 促进污泥的颗粒化[55]；②促进微生物分泌胞外聚合物（EPS） ， 提高污泥造粒相关微生物的活性和丰度 ， 加速污泥颗粒化 ， 提高污泥颗粒稳定性[9,42,54]；③抑制丝状突起的生长 ， 防止丝状细菌的过度生长导致的颗粒解体 ， 改善污泥颗粒形态 ， 有利于形成光滑致密的污泥颗粒[17,54]；④在投加铁的厌氧氨氧化反应器的污泥颗粒内部 ， 一部分铁离子被用于合成微生物细胞结构 ， 从而在污泥颗粒内部形成孔洞 ， 这将有利于微生物脱氮产生的氮气及时从污泥颗粒内部排出 ， 避免了污泥颗粒内部气压达到临界点而引起污泥颗粒的崩塌与解体[17] 。
综上所述 ， 研究者针对铁对废水微生物脱氮的作用机制进行了大量的探索 ， 涵盖了微生物脱氮的多个方面（图2） ， 从微生物电子传递、脱氮相关的酶等合成与活性 ， 到微生物的生长增殖、对氮的转化及胞外聚合物EPS的分泌等代谢活性 ， 再到微生物群落中物种结构与丰度的变化 ， 最后到微生物反应器中的生物膜、絮体或污泥颗粒等的形成及特性 。 正是铁对微生物脱氮过程这些方方面面的作用共同实现了对微生物脱氮效果的促进作用 。 然而 ， 上述关于铁对微生物脱氮作用机制的研究仍然是不够全面的 。 从微生物个体层面来看 ， 关于铁的添加对于酶活性的具体作用机制的研究还不够深入[13] ， 铁的添加对不同酶活性的促进作用或显著或不显著 ， 甚至会产生抑制作用[25,27,47] ， 这种差异化的影响产生的内在因素是什么 ， 尚未得到明确分析 ， 铁对编码相应酶的基因表达的作用与对酶活性的促进作用是否存在确切关联 ， 仍需进一步研究 。 从微生物脱氮系统层面上看 ， 整个系统包含着复杂的作用关系 ， 有微生物与微生物、微生物与氮代谢、微生物与其他污染物的代谢等[17,56] ， 铁的加入对微生物脱氮系统中存在的多种不同作用可能会产生复杂的影响 ， 目前尚缺乏相关的系统化研究 。 此外 ， 铁对微生物脱氮过程的多方面作用中的关键作用是什么 ， 各方面的促进作用贡献程度是多大 ， 如何实现铁对微生物脱氮系统的正向促进作用的最大化 ， 这仍然依赖于进一步的机理方面的研究 。 未来可借助分子生物学手段 ， 开展基因组、转录组、蛋白组等研究 ， 揭示铁在脱氮微生物复杂生命活动中的具体作用 ， 利用同位素示踪结合宏基因组、宏转录组等研究方法 ， 揭示铁对微生物脱氮系统的促进作用机制 ， 建立由点到面的网络化机理模型 ， 为利用铁促进微生物脱氮提供更有力的理论支撑和指导 。
本文插图
3 结语
铁对水体微生物脱氮有重要影响 。 投加适量的、不同化学形态的铁能够对多种微生物脱氮过程产生一定的促进作用 ， 进而提高微生物对废水中含氮污染物的去除效果 。 铁对微生物脱氮的促进作用产生的内在机制是多方面的 。 铁是微生物生长必需的重要微量元素之一 ， 能提高脱氮酶的活性 ， 提高微生物活性 ， 强化微生物脱氮效果 。 铁还可用作自养反硝化菌的电子供体 ， 在自身被氧化的同时实现硝酸盐氮、亚硝酸盐氮的反硝化还原和去除 。 在厌氧氨氧化过程中微生物能够利用不同价态的铁离子作为电子受体将氨氮氧化为亚硝酸盐 ， 或作电子供体将硝酸盐反硝化为亚硝酸盐 ， 从而保证充足的厌氧氨氧化底物 。 微生物作用下的铁循环与氮循环过程的耦合能够同时实现氮的转化与去除和铁的循环与再利用 。 投加到微生物脱氮反应体系内的铁的转化产物还可与废水中其他污染物作用 ， 如能够与磷酸盐等形成沉淀 ， 实现同时脱氮除磷 。 铁还能够影响脱氮系统的微生物群落 ， 促进脱氮微生物的富集 ， 强化微生物脱氮效果 。 铁的添加改善了反应器性能 ， 促进污泥颗粒的形成 ， 提高了污泥颗粒稳定性及污泥絮体或污泥颗粒的沉降性能 。 全面理解铁对水体微生物脱氮的促进作用及其内在作用机制 ， 有助于通过投加铁的方式有效强化水体微生物脱氮过程和含氮废水的治理 ， 促进微生物脱氮过程的实际应用 。
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