鐵氨氧化在環(huán)境系統(tǒng)中的研究進(jìn)展及其應(yīng)用性探究

吳莉娜,閆志斌,李 進(jìn),沈明玉,李 志

(北京建筑大學(xué)城市雨水與水環(huán)境教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京 100044)

鐵氨氧化研究大多通過土壤媒介進(jìn)行富集培養(yǎng),而在水生態(tài)系統(tǒng)內(nèi)研究還很缺乏。結(jié)合鐵氨氧化反應(yīng)生境及其研究進(jìn)展,全面闡述鐵氨氧化反應(yīng)機(jī)理及其影響因素,從微生物角度解析Feammox生物多樣性,并對(duì)其工程應(yīng)用性研究提供新思路,為鐵氨氧化方向發(fā)展提供有力的理論支持。

1 鐵氨氧化作用機(jī)理

表1 鐵氨氧化不同產(chǎn)物下的吉布斯自由能Table 1 Gibbs free energy of different products of ferric ammonium oxidation

圖1 Feammox反應(yīng)過程及其影響因素Fig.1 Feammox reaction process and influencing factors

2 影響因素

2.1 電子穿梭體作用下脫氮效果

2.2 pH對(duì)Feammox的影響

(1)

2.3 溫度對(duì)Feammox活性的影響

溫度是厭氧氨氧化菌的生長(zhǎng)和代謝的主要影響因素,直接影響著微生物的豐度[30-31]。研究表明[32-33]厭氧氨氧化菌可以在20～43 ℃的溫度范圍內(nèi)發(fā)生氨氧化反應(yīng)。Tomaszewski等[34]提出厭氧氨氧化最適宜溫度為32 ℃。陳方敏等[35]利用厭氧氨氧化污泥馴化得來的Feammox污泥研究不同溫度梯度對(duì)氨氮轉(zhuǎn)化的影響,其中發(fā)現(xiàn)Feammox最適溫度為30 ℃,可以實(shí)現(xiàn)高氨氮轉(zhuǎn)化率和總氮去除率。當(dāng)溫度升高或降低情況下由于部分微生物發(fā)生內(nèi)源消化導(dǎo)致氨氮轉(zhuǎn)化率和總氮去除率降低。劉志文等[36]采用“氫氧化鈉共沉淀-溶膠-凝膠”法制備的磁性殼聚糖凝膠球(magnetic chitosan hydrogel beads,MCHBs),將厭氧鐵氨氧化菌固定,該方法對(duì)溫度和pH變化具有較好的耐受性,從而為鐵氨氧化在實(shí)際工程的研究與應(yīng)用具有重大的意義。

從熱力學(xué)角度考慮,Feammox反應(yīng)屬于放熱反應(yīng),當(dāng)系統(tǒng)內(nèi)出現(xiàn)氨氮轉(zhuǎn)化及氮?dú)馍蓵r(shí)系統(tǒng)溫度升高,因此,溫度升高可能對(duì)微生物代謝活動(dòng)及蛋白質(zhì)合成造成一定的影響。目前關(guān)于Feammox在不同溫度梯度反應(yīng)活性的研究尚少,這也限制了Feammox在實(shí)際工程應(yīng)用的發(fā)展。

2.4 Fe(Ⅲ)濃度的影響

Fe(Ⅲ)可以為Feammox提供電子受體氧化氨氮從而實(shí)現(xiàn)環(huán)境中脫氮效果。研究發(fā)現(xiàn)Fe(Ⅲ)可以促進(jìn)環(huán)境中蛋白質(zhì)的厭氧分解[37],而且除了銨之外,有機(jī)物還可以為微生物異化Fe(Ⅲ)還原提供電子。從熱力學(xué)的角度來看,有機(jī)基質(zhì)更適合用作Fe(Ⅲ)還原中的電子給體而不是銨[38]。Fe(Ⅲ)還原可以促進(jìn)有機(jī)物的破壞和缺氧條件下的水解酸化[39],因此在環(huán)境系統(tǒng)中隨著有機(jī)物的消耗,更能引發(fā)Feammox反應(yīng)的進(jìn)行。而且豐富的Fe(Ⅲ)有利于參與Feammox反應(yīng)的鐵還原菌的生長(zhǎng)[26,40]。

2.5 溶解氧(DO)控制

3 微生物多樣性

Feammox作為一種生物脫氮技術(shù),微生物的種類及其數(shù)量制約著反應(yīng)過程中的脫氮效果,迄今Feammox作用微生物群落主要包括鐵還原菌、AcidimicrobiaceaebacteriumA6菌、厭氧氨氧化菌。主要分布情況如圖2所示。

圖2 Feammox主要微生物群落分布Fig.2 Distribution of major microbial communities in Feammox

3.1 鐵還原菌多樣性

Feammox反應(yīng)嚴(yán)格來說是生物脫氮過程,但所涉及的微生物屬別及相關(guān)性功能研究尚未有統(tǒng)一定論。2015年,Ding等[47]首次在水稻土中發(fā)現(xiàn)Feammox現(xiàn)象,次年,研究發(fā)現(xiàn)長(zhǎng)期施用氮肥可以進(jìn)一步促進(jìn)水稻土壤中Fe(Ⅲ)還原過程,而其中主要微生物群落為乙酸鹽Fe(Ⅲ)還原菌。丁幫璟等[48]采用同位素示蹤技術(shù)和高通量測(cè)序技術(shù),證明了鐵氨氧化在河岸帶表層土壤中存在,研究發(fā)現(xiàn),鐵還原菌和Feammox有緊密聯(lián)系,其中地桿菌屬(Geobacter) 和厭氧黏細(xì)菌(Anaeromyxobacter)在不同土壤層中(A:0～5 cm,B:5～10 cm,C:10～15 cm,D:15～20 cm)被檢測(cè)出,尤以在B層中鐵還原菌相對(duì)豐度最大。鐵還原菌在Feammox反應(yīng)中起到重要作用。有研究指出,氮素和鐵還原菌可以在污水處理廠共生[49]。

Feammox已經(jīng)在不同環(huán)境系統(tǒng)中被證實(shí),鐵還原菌也相應(yīng)在水稻土、濕地、湖泊沉積物[50]等多種環(huán)境中被發(fā)現(xiàn)。Zhou等[51]在水稻土中證實(shí)了鐵還原菌-土桿菌屬在Feammox中起主要功能性作用。Yang等[16]用水鐵礦研究Feammox過程中氮和鐵轉(zhuǎn)化效果實(shí)驗(yàn)表明,鐵還原菌-變形菌綱起主導(dǎo)作用。Ding等[7]推測(cè)假單胞菌和地桿菌,均屬于鐵還原菌屬別,在Feammox過程中發(fā)揮著重要作用。

3.2 Acidimicrobiaceae bacterium A6

3.3 厭氧氨氧化菌

厭氧氨氧化與Feammox反應(yīng)過程緊密聯(lián)系。2008年,Van Niftrik等[4]發(fā)現(xiàn)厭氧氨氧化菌可以儲(chǔ)存大量的鐵離子,鐵在厭氧氨氧化菌血蛋白合成過程中發(fā)揮著重要作用。Li等[56]在厭氧氨氧化污泥中培養(yǎng)Feammox,采用污泥熒光原位雜交和變性梯度凝膠電泳技術(shù)檢測(cè)微生物群落變化,研究表明,當(dāng)采用合成廢水培養(yǎng)過程中厭氧氨氧化菌急劇下降,而厭氧氨氧化菌屬的CandidatusKueneniastuttgartiensis、CandidatusScalinduawagneri、CandidatusBrocadiasinica和CandidatusBrocadiafulgida在Feammox過程中有著重要的作用,綜合實(shí)驗(yàn)分析證明厭氧氨氧化菌具備將Fe(Ⅲ)還原為Fe(Ⅱ)能力,并且Feammox在厭氧氨氧化污泥中屬于生物反應(yīng)過程。

2015年,姚宗豹[57]成功地在投加Fe(Ⅲ)NTA的厭氧氨氧化污泥中培養(yǎng)出Feammox反應(yīng),在培養(yǎng)過程中微生物豐度較大的屬分別為Rhodospirillaceae、Burkholderiales、Anaerolineaceae、Ca.Kuenenia、Ignavibacteriales、Enterobacteriales、Phycisphaerales、Rhizobiales、Sphingobacteriales等,反應(yīng)體系內(nèi)主要的厭氧氨氧化菌屬為Kuenenia,在Feammox過程中可能發(fā)揮著重要的作用。厭氧氨氧化菌屬在Feammox反應(yīng)的培養(yǎng)及實(shí)現(xiàn)過程中發(fā)揮著重要作用,但對(duì)于厭氧氨氧化菌屬的特異性培養(yǎng)還有待進(jìn)一步研究。

4 Feammox工程適用性分析

5 結(jié)論

鐵氨氧化對(duì)于氮素在環(huán)境系統(tǒng)中的循環(huán)起著至關(guān)重要的作用,對(duì)于緩解水環(huán)境的氮污染具有潛在的功能能性作用。但有關(guān)Feammox的作用機(jī)理研究尚需從蛋白質(zhì)組學(xué)及宏基因角度進(jìn)行研究探討,微生物群落的多樣性雖可以拓展鐵氨氧化發(fā)生的領(lǐng)域及作用面,但缺乏特定微生物作用機(jī)理的研究,因此無法定性分析Feammox各項(xiàng)生理指標(biāo)及其控制條件。Feammox可以實(shí)現(xiàn)鐵的循環(huán)利用，但后期處理出水鐵含量居高不下仍是未來研究的重點(diǎn),現(xiàn)有的NAFO可以有效地實(shí)現(xiàn)Fe(Ⅲ)和Fe(Ⅱ)循環(huán)轉(zhuǎn)化,由此鐵氨氧化可以針對(duì)特定的含鐵廢水進(jìn)行研究探索。與此同時(shí),Feammox和厭氧氨氧化、反硝化等技術(shù)的耦合工藝還需進(jìn)一步探索,從而開拓Feammox在實(shí)際工程中的應(yīng)用。