鐵氨氧化在環境系統中的研究進展及其應用性探究

吳莉娜,閆志斌,李 進,沈明玉,李 志

(北京建筑大學城市雨水與水環境教育部重點實驗室,北京 100044)

鐵氨氧化研究大多通過土壤媒介進行富集培養,而在水生態系統內研究還很缺乏。結合鐵氨氧化反應生境及其研究進展,全面闡述鐵氨氧化反應機理及其影響因素,從微生物角度解析Feammox生物多樣性,并對其工程應用性研究提供新思路,為鐵氨氧化方向發展提供有力的理論支持。

1 鐵氨氧化作用機理

表1 鐵氨氧化不同產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Feammox的影響

(1)

2.3 溫度對Feammox活性的影響

溫度是厭氧氨氧化菌的生長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 ℃的溫度范圍內發生氨氧化反應。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氨氮轉化的影響,其中發現Feammox最適溫度為30 ℃,可以實現高氨氮轉化率和總氮去除率。當溫度升高或降低情況下由于部分微生物發生內源消化導致氨氮轉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,該方法對溫度和pH變化具有較好的耐受性,從而為鐵氨氧化在實際工程的研究與應用具有重大的意義。

從熱力學角度考慮,Feammox反應屬于放熱反應,當系統內出現氨氮轉化及氮氣生成時系統溫度升高,因此,溫度升高可能對微生物代謝活動及蛋白質合成造成一定的影響。目前關于Feammox在不同溫度梯度反應活性的研究尚少,這也限制了Feammox在實際工程應用的發展。

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現環境中脫氮效果。研究發現Fe(Ⅲ)可以促進環境中蛋白質的厭氧分解[37],而且除了銨之外,有機物還可以為微生物異化Fe(Ⅲ)還原提供電子。從熱力學的角度來看,有機基質更適合用作Fe(Ⅲ)還原中的電子給體而不是銨[38]。Fe(Ⅲ)還原可以促進有機物的破壞和缺氧條件下的水解酸化[39],因此在環境系統中隨著有機物的消耗,更能引發Feammox反應的進行。而且豐富的Fe(Ⅲ)有利于參與Feammox反應的鐵還原菌的生長[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,微生物的種類及其數量制約著反應過程中的脫氮效果,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反應嚴格來說是生物脫氮過程,但所涉及的微生物屬別及相關性功能研究尚未有統一定論。2015年,Ding等[47]首次在水稻土中發現Feammox現象,次年,研究發現長期施用氮肥可以進一步促進水稻土壤中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和高通量測序技術,證明了鐵氨氧化在河岸帶表層土壤中存在,研究發現,鐵還原菌和Feammox有緊密聯系,其中地桿菌屬(Geobacter) 和厭氧黏細菌(Anaeromyxobacter)在不同土壤層中(A:0～5 cm,B:5～10 cm,C:10～15 cm,D:15～20 cm)被檢測出,尤以在B層中鐵還原菌相對豐度最大。鐵還原菌在Feammox反應中起到重要作用。有研究指出,氮素和鐵還原菌可以在污水處理廠共生[49]。

Feammox已經在不同環境系統中被證實,鐵還原菌也相應在水稻土、濕地、湖泊沉積物[50]等多種環境中被發現。Zhou等[51]在水稻土中證實了鐵還原菌-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過程中氮和鐵轉化效果實驗表明,鐵還原菌-變形菌綱起主導作用。Ding等[7]推測假單胞菌和地桿菌,均屬于鐵還原菌屬別,在Feammox過程中發揮著重要作用。

3.2 Acidimicrobiaceae bacterium A6

3.3 厭氧氨氧化菌

厭氧氨氧化與Feammox反應過程緊密聯系。2008年,Van Niftrik等[4]發現厭氧氨氧化菌可以儲存大量的鐵離子,鐵在厭氧氨氧化菌血蛋白合成過程中發揮著重要作用。Li等[56]在厭氧氨氧化污泥中培養Feammox,采用污泥熒光原位雜交和變性梯度凝膠電泳技術檢測微生物群落變化,研究表明,當采用合成廢水培養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,綜合實驗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出Feammox反應,在培養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,反應體系內主要的厭氧氨氧化菌屬為Kuenenia,在Feammox過程中可能發揮著重要的作用。厭氧氨氧化菌屬在Feammox反應的培養及實現過程中發揮著重要作用,但對于厭氧氨氧化菌屬的特異性培養還有待進一步研究。

4 Feammox工程適用性分析

5 結論

鐵氨氧化對于氮素在環境系統中的循環起著至關重要的作用,對于緩解水環境的氮污染具有潛在的功能能性作用。但有關Feammox的作用機理研究尚需從蛋白質組學及宏基因角度進行研究探討,微生物群落的多樣性雖可以拓展鐵氨氧化發生的領域及作用面,但缺乏特定微生物作用機理的研究,因此無法定性分析Feammox各項生理指標及其控制條件。Feammox可以實現鐵的循環利用，但后期處理出水鐵含量居高不下仍是未來研究的重點,現有的NAFO可以有效地實現Fe(Ⅲ)和Fe(Ⅱ)循環轉化,由此鐵氨氧化可以針對特定的含鐵廢水進行研究探索。與此同時,Feammox和厭氧氨氧化、反硝化等技術的耦合工藝還需進一步探索,從而開拓Feammox在實際工程中的應用。