氧化还原介体介导厌氧氨氧化生物脱氮的研究进展_赵星程.pdf

化工进展Chemical Industry and Engineering Progress2023 年第 42 卷第 3 期氧化还原介体介导厌氧氨氧化生物脱氮的研究进展赵星程，贾方旭，蒋伟彧，陈佳熠，刘晨雨，姚宏（北京交通大学环境学院，水中典型污染物控制与水质保障北京重点实验室，北京 100044）摘要：厌氧氨氧化（anaerobic ammonium oxidation，Anammox）工艺被认为是一种高效经济且环境友好的生物脱氮技术，是传统生物脱氮工艺的理想替代。然而，该工艺的核心微生物厌氧氨氧化菌（AnAOB）生长速度缓慢，导致反应器启动时间长，限制了该工艺的实际应用与推广。因此，如何提高AnAOB活性，进一步缩短反应器启动时间成为亟待解决的问题。氧化还原介体（redox mediator，RMs）作为电子载体，通过加速电子传递过程，可增强AnAOB脱氮酶活性和代谢性能，从而提高整体脱氮效果。本文围绕RMs在强化Anammox性能中的作用进行讨论，介绍了RMs的特性、种类及其基本原理，从Anammox性能、胞外聚合物产量、脱氮酶活性及功能菌丰度等方面综述了RMs对Anammox过程的影响，并对其潜在的机理进行了分析和总结，以期为今后的实际应用提供理论依据和参考价值。关键词：厌氧氨氧化；氧化还原介体；生物脱氮；工艺强化；电子传递中图分类号：X703.5 文献标志码：A 文章编号：1000-6613（2023）03-1606-12Redox mediators-mediated anaerobic ammonium oxidation process for biological nitrogen removal:a reviewZHAO Xingcheng，JIA Fangxu，JIANG Weiyu，CHEN Jiayi，LIU Chenyu，YAO Hong(Beijing Key Laboratory of Aqueous Typical Pollutants Control and Water Quality Safeguard,School of Environment,Beijing Jiaotong University,Beijing 100044,China)Abstract:Anaerobic ammonium oxidation(Anammox)process is considered as an efficient,economical and environmentally friendly biological nitrogen removal technology,which is an ideal alternative to the conventional biological nitrogen removal process.However,anaerobic ammonia oxidizing bacteria(AnAOB),as the functional microbes in Anammox process,has slow growth rate,resulting in a long reactor start-up time,which hinders the practical application and promotion of the process.Therefore,it is urgent to enhance the AnAOB activity and further reduce the reactor start-up time.Redox mediators(RMs),as electron carriers,can enhance the activity and metabolic performance of AnAOB nitrogen-converting enzymes by accelerating the electron transfer process,thus improving the overall nitrogen removal effect.This paper discussed the role of RMs in enhancing the Anammox performance,introduced the characteristics and types of RMs,as well as their basic principles,reviewed the effects of RMs on the Anammox process in terms of Anammox performance,extracellular polymeric substances production,nitrogen-converting enzymes activity and functional bacterial abundance,as well as analyzed and 综述与专论DOI：10.16085/j.issn.1000-6613.2022-0994收稿日期：2022-05-27；修改稿日期：2022-07-11。基金项目：中央高校基本科研业务费自由申报项目（2019JBM088）。第一作者：赵星程（1992），男，博士研究生，研究方向为厌氧氨氧化污水脱氮处理。E-mail：。通信作者：贾方旭，副教授，硕士生导师，研究方向为厌氧氨氧化污水脱氮处理。E-mail：。引用本文：赵星程,贾方旭,蒋伟彧,等.氧化还原介体介导厌氧氨氧化生物脱氮的研究进展J.化工进展,2023,42(3):1606-1617.Citation：ZHAO Xingcheng,JIA Fangxu,JIANG Weiyu,et al.Redox mediators-mediated anaerobic ammonium oxidation process for biological nitrogen removal:a reviewJ.Chemical Industry and Engineering Progress,2023,42(3):1606-1617.16062023年3月赵星程等：氧化还原介体介导厌氧氨氧化生物脱氮的研究进展summarized the potential mechanism,with a view to providing theoretical basis and reference value for future practical applications.Keywords:anaerobic ammonium oxidation;redox mediators;biological nitrogen removal;process enhancement;electron transfer目前，大多数污水处理厂采用传统的硝化-反硝化技术实现废水脱氮处理，此过程需要额外曝气和外加碳源，并释放大量温室气体。自20世纪末，厌 氧 氨 氧 化（anaerobic ammonium oxidation，Anammox）被发现以来，完全自养脱氮引起了学者们的广泛兴趣1-8。如图1所示，此过程在厌氧氨氧化菌（Anammox bacteria，AnAOB）的作用下，以亚硝酸盐（NO-2）为最终电子受体，可直接将氨氮（NH+4）转化为氮气（N2）9。与传统生物脱氮技术相比，Anammox工艺由于具有节省曝气消耗，不需要额外碳源，减少剩余污泥量和温室气体排放等优点，大幅降低了运行成本，被认为是更节能、更环保的生物脱氮技术10-11。然而，在实际工程应用中，由于厌氧氨氧化菌生长速度缓慢（倍增时间为2.112天），导致系统启动时间较长，限制了其大规模工程应用的前景12-14。因此，如何增强AnAOB活性并进一步缩短反应器启动时间成为急需解决的问题。研究表明，AnAOB脱氮酶活性及分解代谢能力是影响Anammox过程的重要因素。如图2所示，Kartal等15认为厌氧氨氧化体膜及其内部发生的能量转换和代谢途径可分为以下3个步骤：在亚硝酸盐还原酶（Nir）的作用下，NO-2消耗一个电子还原为一氧化氮（NO）；在联氨合成酶（Hzs）的作用下，氨（NO+4）与上一步还原生成的NO结合 生 成 联 氨（N2H4）并 消 耗 由 电 子 转 移 模 块（ETM）还原甲基萘醌（MQH2）过程中产生的3个电子；在联氨脱氢酶（Hdh）的作用下，将N2H4图2厌氧氨氧化菌的能量代谢示意图18图1生物氮转化框架图 化工进展，2023，42（3）氧化成N2，并释放4个电子；在亚硝酸盐氧化还原酶（Nxr）的作用下，部分NO-2被氧化为硝酸盐（NO-3）并释放2个电子，用于补充NAD(P)+还原从循环电子流中提取的电子，从而保证电子传递链中的电子平衡。除此之外，厌氧氨氧化体所释放的能量在膜结合蛋白复合体（例如 Rieske：heme b respiratory complex，R/b复合体）的作用下，可产生质子动力，与在厌氧氨氧化体膜上的ATP合成酶（ATPase）结合，驱动ATP合成15。据Sinninghe等16报道，在缺乏ATP的情况下，生物质产量会减少50%。由此可见，若增强脱氮酶活性，有助于提高ATP的合成速率，为AnAOB的分解代谢提供更多 的 能 量，促 进 Anammox 活 性，进 而 加 速Anammox反应器的启动17。有 学 者 报 道 一 些 氧 化 还 原 介 体（redox mediator，RMs）具有作为电子载体的能力，可通过促进微生物之间或微生物与电子供/受体之间的转移电子来提高能量代谢水平19。近年来，该方法被广泛应用于Anammox废水处理过程，可显著提高了 Anammox 的脱氮速率17-20。因此，本文通过介绍各类RMs 介导微生物反应的原理和应用，总结RMs促进Anammox脱氮性能的研究结果，分析其促进 Anammox 活性的潜在机制，以期为Anammox工艺的快速启动和工程化应用提供参考和借鉴。1 氧化还原介体1.1 氧化还原介体介导微生物反应的基本原理RMs，又被称为电子穿梭体，是一类具有氧化还原特性的化合物，通过可逆地被氧化和还原可加速电子从初级电子供体至末端电子受体的传导速率。研究发现通过人工添加RMs可使微生物氧化还原反应速率增强若干个数量级，甚至会在微生物的能量代谢中开辟新的电子传递方式，从而影响其生长和生理特性，以提高反应速率19,21。如图3(a)所示，与单纯的生物反应不同，RMs可通过改变自身的氧化还原状态，介导微生物间接地将还原当量从基质转移到污染物上进行降解，其原理可分为两个半反应22：微生物通过氧化底物将电子传递给RMs，使RMs发生生物还原反应；被还原的RMs再将电子传递给目标污染物，对污染物进行化学还原。Van等23认为RMs发挥有效电子传递效果的前提是，其标准氧化还原电位（E0）应介于两个最终的半反应之间。然而，RMs的有效性同样取决于其还原和氧化的活化能，即使介体的E0超出初级电子供体和末端电子受体的范围也有可能诱发介导反应。除此之外，对微生物反应速率的提升不仅依赖于E0的高低，还与RMs的一些特性相关，例如：可溶性、生物毒性以及细胞膜通透性等。1.2 氧化还原介体的种类及在微生物降解污染物领域的应用对于微生物而言，RMs既存在于细胞自身，被称为内源性RMs；又可获取于自然界，被称为外源性RMs。内源性RMs包含可驱动电子从柠檬酸循环转移到呼吸电子传输链的烟酰胺腺嘌呤二核苷酸（NAD），以及在呼吸蛋白复合体中穿梭的甲基萘醌（MQ）等。除此之外，常见的外源性RMs可根据在液体中的溶解性可被分为可溶性RMs和不可溶性RMs图3(b)22-30。其中，可溶性RMs包括：可溶性腐殖质组分（富里酸和腐殖酸）、醌类RMs（9,10-蒽醌、2-羟基-1,4-萘醌、9,10-蒽醌-2,6-二磺酸盐、甲萘醌等），以及3,4-二羟基苯甲酸、维生素B12、羟基钴胺素等其他可溶性RMs；不可溶性 RMs 主要包括碳基类 RMs（生物炭、活性炭、氧化石墨烯和碳纳米管等）、天然不溶性腐殖质和植物类RMs（海娜植物）。关于RMs降解污染物的报道最早可追溯到20世纪60年代，Roxon等31发现醌类酶辅助因子在降解偶氮染料中发挥了重要作用。随后，RMs介导微生物反应引起了学者们的兴趣。在过去的几十年里，已将外源性RMs应用于增强微生物对污染物的降解，如强化偶氮染料脱色，硝基芳香族化合物、多卤代化合物和氧化类金属降解以及反硝化作用图 3(b)23-24,32。在应用中发现，大多数可溶性RMs可能会在反应中被降解或随出水一起被排出，连续人工添加RMs又会增加运行成本，因此，在工程应用中通常考虑采用不可溶RMs（如生物炭和活性炭等）或将可溶性RMs固定化等方式22。2 内源性氧化还原介体在厌氧氨氧化工艺中的应用众所周知，AnAOB严格意义上属于缺氧自养菌，其生长速度缓慢，培养条件严格，因此，目前尚未被成功地分离纯化。然而，无论是在人工培养的反应器内，还是在自然界中，AnAOB均被发现可与其他微生物处于共生状态，这种关联可为AnAOB提供理想的生存环境或必需的营养物质，16082023年3月赵星程等：氧化还原介体介导厌氧氨氧化生物脱氮的研究进展从而促进其生长33-36。据报道，除AnAOB胞内存在的RMs（如NAD和MQ）外，AnAOB还可从其他细菌中获得内源性RMs，用于其能量代谢。例如，Xiao等37发现，在Anammox工艺中存在的 多 种 异 养 菌（Chloroflexi bacterium OLB13，Gemmatimonadaceae 和 Burkholderiaceae）可 利 用AnAOB产生的氨基酸（甘氨酸、谷氨酸和天冬氨酸）来产生能量，并且这些细菌可为营养缺陷型AnAOB（如 Candidatus Kuenenia 和 Candidatus Jettenia）提供生长必需的营养物质蝶呤型钼辅因子（一种具有氧化还原特性的辅因子，在AnAOB代谢过程中可催化二氧化碳转化为甲酸），这种互惠共生的关系促进了营养缺陷型AnAOB生长。Wang 等38的研究也发现了类似的共生关系，Candidatus Kuenenia stuttgartiensis 产生的代谢产物或中间产物可被其他细菌利用，而其他细菌（如图3微生物直接降解与在RMs介导下间接降解污染物示意图与RMs的分类及其在生物降解污染物中的应用 化工进展，2023，42（3）Limonbacter，Azoarus，Ignavibacterium和Anaerolinea）可为Candidatus Kuenenia stuttgartiensis提供其自身无法合成的辅酶Q（一种醌类RM，在质子跨膜转运中具有重要作用）。由此可见，AnAOB与其他微生物存在的这种相互作用，将有助于AnAOB的纯化和工程应用。在未来的研究中，人工加入这些营养成分（必须由其他微生物提供的物质），是否可使AnAOB摆脱这种共生关系而单独生存，达到分离纯化AnAOB的目的，值得深入探究。此外，在工程应用中，可考虑在接种污泥中加入与AnAOB共生的微生物，通过为AnAOB提供必需的营养或生存环境，实现反应器的快速启动和稳定脱氮。3 外源性氧化还原介体在厌氧氨氧化工艺中的应用3.1 可溶性腐殖质组分腐殖质是由土壤、动植物残体中的大分子物质经微生物分解和转化作用形成的一类非均相的大分子有机混合物，并且在不同的环境条件下，可分解出 富 里 酸（fulvic acid，FA）和腐殖酸（humic acid，HA）等不同的可溶性组分39。如表1所示，总结了关于 FA 和 HA 对 Anammox 影响的相关研究。FA是普遍存在于自然水域、沉积物和土壤等环境中的一种腐殖质，所含的酚、羟基和羧基等官能团赋予了FA较强的电子转移能力40。Liu等41考察了 FA 对 Anammox 的短期影响，结果表明添加1mmol/LFA可加速反应过程的电子传递，提高细菌间 信 号 分 子 的 浓 度 并 刺 激 细 胞 外 聚 合 物（extracellular polymeric substances，EPS）的分泌，从而提升总氮去除效果。同样，王家辉等42在长期实验中发现添加 50mg/L 的FA 可使总氮去除效率（nitrogen removal efficiency，NRE）提升12.7%。此外，Liu 等43发现在 15的低温条件下，FA 可使Anammox脱氮酶（Hzo和hzsB）的活性分别提升了约37.2%和58.8%，并且通过宏基因组测序技术推测 FA 可能促进三羧酸循环途径和氧化还原反应（NAD+和NADH），进而使Anammox活性和NRE分别提升了49.7%和39.2%。HA作为腐殖质的重要组分之一，含有多种氧化还原活性官能团，如羧基、酚羟基、醌基等，其发生的可逆氧化还原反应与微生物电子转移链中的醌池相似，因此HA通常被认为可参与微生物的氧化还原反应44。Kraiem等45发现在序批式反应器（sequencing batch reactor，SBR）中添加5075mg/LHA 时，不会影响 Anammox 工艺的稳定运行，NRE与未添加HA时一致；然而，当HA浓度从100mg/L增加至200mg/L时，Anammox系统脱氮效果大幅下降，这可能是由于高浓度HA存在的生物毒性抑制了Anammox活性，并且高浓度HA可为异养反硝化菌（heterotrophic denitrifying bacteria，HDB）提供充足的碳源，使HDB过度增殖，最终导致反硝化过程成为主导的脱氮方式，从而降低了系统的脱氮性能。Lu等46的研究发现，在单级短程硝化-厌氧氨氧化（single-stage nitrogen removal using Anammox and partial nitritation，SNAP）工艺中，化学需氧量（COD）浓度（由 HA 提供）从88.59mg/L增加至684.39mg/L时，Anammox活性以及SNAP系统的脱氮效果不断提高，一方面可能是由于可降解HA的功能微生物富集，降低了HA对脱氮微生物的胁迫；另一方面，如图 4(a)所示，表1可溶性腐殖质组分对Anammox性能的影响RMs类型FAHA反应器类型/有效体积血清瓶/100mLUASB/7LUASB/2.5LABR/1LSBR/3.75LSNAP/12LSBBR/7L温度/C370.232135115303233332pH7.80.17.50.17.80.27.58.07.57.8运行时间120h70d54d77d43d92d54d添加量/mgL-1308.245025.280.315.430.850200120163750200进水浓度/mgL-1NH+450150150210751152300200700600NO-2501501502201001322300氮去除效果NRR提高7.6%NRR提高12.7%NRR=1.7kg/(m3d)NRR提高39.2%随HA浓度增加，NRE由58%降低至39.45%HA=576mg/L时，NRE=96%HA=50mg/L时，NRE提升了0.6%参考文献41424843454647脱氮负荷；上流式厌氧污泥床；厌氧氨氧化生物膜反应器；序批式反应器；厌氧氨氧化-部分硝化单级脱氮工艺；序批式生物膜 反应器。16102023年3月赵星程等：氧化还原介体介导厌氧氨氧化生物脱氮的研究进展HA作为RM可加速电子传递，并刺激N-酰基高丝氨酸内酯（N-acyl-homoserine-lactones，AHLs，作为群体感应的诱导物，可在AmxI蛋白的作用下合成，用于感知周围细胞密度）分泌，进而促进自诱导物结合蛋白（AmxR）与AHLs结合，形成AmxR-AHLs 复合物，激活厌氧氨氧化活性相关基因（amxA）的表达，提高Anammox活性；此外，HA作为EPS的组成成分，添加HA可提高EPS产量，促进AnAOB的生长，从而保障了SNAP系统稳定脱氮；然而，当COD浓度（由HA提供）继续提升至816.081428.91mg/L时，SNAP系统的脱氮效果有所下降，高浓度HA对AnAOB活性存在明显抑制，并促进了反硝化菌生长，从而导致整体脱氮性能下降。Liu等47揭示了HA在同步硝化-厌氧氨氧化-反硝 化（simultaneous nitrification，Anammox and denitrification，SNAD）系统中的双向影响（抑制和促进），在实验初期阶段，系统中添加了50mg/L HA，由于HA的生物毒性，对SNAD系统脱氮性能存在明显的抑制作用，但随着HA在吸附-生物降解作用下，HA被分解为小分子物质，降低了系统中的有机负荷，从而减轻了对AnAOB的胁迫。随后，逐渐提高HA浓度至100mg/L时，AnAOB相对丰度也随之增加，然而，当HA浓度进一步提高至200mg/L时，AnAOB相对丰度却大幅下降，这可能是由于高浓度HA对AnAOB仍存在较大的生物毒性，以及 AnAOB 与硝化细菌（ammonia-oxidizing bacteria，AOB）和HDB竞争生存空间所致。值得注意的是，尽管AnAOB相对丰度较低，但AnAOB脱氮酶（Hao和Hzo）活性却有所提高，这可能是由于HA的氧化还原特性提高了电子转移效率，从而增强了微生物活性。并且，在HA的作用下，促进了脱氮相关酶（Hao、Amo、Nir和Nar等）的活性，并合理地重塑了SNAD系统中功能微生物的代谢分工，使AnAOB、AOB、HDB之间进行了更好地协作，进而增强了系统的脱氮效果图4(b)。图4腐殖酸对厌氧氨氧化性能影响可能存在的机理46-47 化工进展，2023，42（3）由此可见，HA对Anammox工艺的影响可能与反应器类型的选择有关，上述研究表明SNAP反应器和基于SNAD系统的序批式生物膜反应器似乎比SBR表现出更强的抗HA能力，这得益于系统中功能微生物之间良好的合作关系，缓解了系统中HA的生物毒性，从而促进了AnAOB活性，保证稳定脱氮。总之，HA对不同Anammox系统产生抑制的临界浓度存在较大差异，因此，在处理含HA废水时，选择合适的反应系统是成功启动Anammox工艺的关键。3.2 醌类氧化还原介体醌类有机物被认为是应用最广的一类RMs，可提高多种微生物反应活性，然而，目前关于Anammox的报道较少23。Qiao等49研究了3种醌类有机物（蒽醌-2,6-二磺酸钠，2-羟基-1,4-萘醌和蒽醌-2-羧酸）对Anammox的影响，结果表明这3种介体均可促进脱氮酶（Nir和Hdh）活性，然而对总氮去除性能全部存在负面影响，他们推测醌类有机物本身存在的生物毒性可能导致Anammox生物量及脱氮效果下降；此外，研究发现蒽醌-2,6-二磺酸钠和2-羟基-1,4-萘醌在反应过程中浓度几乎没有变化，蒽醌-2-羧酸的浓度虽然有所下降，但并不意味着其可以穿过细胞膜，而是在污泥表面形成了白色薄层，这表明3种醌类有机物均不能穿过细胞膜进入AnAOB内部，从而限制了其与脱氮酶的接触并降低生物毒性。并且，他们推测RMs在Anammox 反 应 中 起 到 泛 醇/泛 醌（ubiquinol/ubiquinone，Q/QH2，参与Anammox代谢的重要辅助因子）的作用，可能是脱氮酶活性提高的原因。此外，另一种具有蒽醌核的 RM-胭脂红酸（carminic acid，CA）50，同样降低了 Anammox 脱氮效率，并抑制了脱氮酶（NirS，hzsB和Hzo）活性。此外，CA还降低了ccsB（细胞色素c合成酶的一种组分）的表达，这可能是由于CA的氧化还原电 位（-500mV）低 于 c-细 胞 色 素 的 最 低 值（-400mV），且电子转移能力较弱，从而抑制了细菌间的电子传递速率。值得注意的是，CA促进了nxrB基因的表达，使大量的NO-2转化为NO-3，这也是导致系统脱氮性能下降的原因之一51。尽管目前已经对醌类有机物抑制Anammox脱氮性能的机理进行了一些讨论，然而，若想更全面地揭示其潜在的机理，仍需要进一步的研究，以揭示醌类有机物的细胞毒性，电子传递速率及其对Anammox代谢过程的影响。3.3 碳基材料碳基RMs具有可重复利用的特点，常见的材料有生物炭、石墨烯、氧化石墨烯（graphene oxide，GO）和还原氧化石墨烯（reduced graphene oxide，rGO）等。其中，生物炭是一种源自有机物（如植物、农作物、活性污泥等）在缺氧条件下发生热化学反应形成的碳质固体材料，具有许多氧化还原活性官能团，如酚羟基、醌基、羧基和羰基等，可用于促进微生物的电子转移过程52。如表2所 示，Wang 等53-54的 研 究 表 明 生 物 炭 可 使Anammox系统的NRE提升16.3%，并使Candidatus Brocadia的丰度增加10.9倍，这归因于生物炭可直接促进 Anammox 生物质的胞外电子传递能力（ETC），从而增强AnAOB的代谢活性。此外，在有机物存在的情况下，生物炭可选择性地介导AnAOB 驱动异化硝酸盐还原为氨（dissimilatory nitrate reduction to ammonium，DNRA）途径，这可能是由于生物炭作为RM，可加速AnAOB接收来自其他细菌或电子供体的胞外电子的速度，更多的电子有利于增强与DNRA途径（napAB和nrfAH）和Anammox反应（Hzs）相关基因的丰度，营造出适合 AnAOB 生 长 的 环 境，从 而 提 高 了 系 统 的Anammox活性和脱氮性能图5(a)。此外，生物炭的粒径和制备温度也会对Anammox带来不同的影响。据报道，不同粒径的生物炭（1030m、200500m和20005000m）对微生物电子传递过程的促进程度随粒径的增加而降低，并且对整体脱氮效率的提升作用也随之下降。理论上，生物炭在研磨过程中不会改变其表面化学性质，且具有相似的氧化还原特性。因此，造成脱氮效果差异的原因可能是粒径较小的生物炭可作为晶核诱导AnAOB聚集形成较大的颗粒污泥，从而提高Anammox的活性，这表明生物炭对系统性能的促进作用高度依赖于其粒径大小55。另一方面，Xu等56揭示了生物炭的制备温度对脱氮效果的影响，低温下制备的生物炭（300）可提高Anammox总氮去除率，而在高温下制备的生物炭（800）对脱氮性能却造成了负面影响，这可能是因为低温下制备的生物炭具有多种供电子官能团，通过提高NADH/NAD+比例促进AnAOB代谢，而高温下制备的生物炭被赋予更强的电子接受能力，反应中消耗了更多的电子导致系统性能下降，这表明生物炭对Anammox系统的影响主要取决于材料表面的活性官能团与其氧化还原特性图5(b)。16122023年3月赵星程等：氧化还原介体介导厌氧氨氧化生物脱氮的研究进展表2生物炭对Anammox性能的影响生物炭制备温度/300500800300500800300300400400300反应器类型/有效体积UASB/1L血清瓶/120mLUASB/1L血清瓶/100mL血清瓶/100mLSBR/1L血清瓶/120mL温度/35132135135351351351pH约7.57.27.87.50.17.5运行时间160d60h80d72h40d106d56d最佳添加量/gL-10.010.011010101010进水浓度/mgL-1NH+47021070100100TN=(22010)(30015)3502070NO-27021020010010042020100氮去除效果提高10.7%提高7.1%下降4.9%提高64.5%提高63.6%提高43.9%粒径1030m，NRE提高21.6%粒径1030m，NRE提高21.1%粒径1030m，NRE提高9.2%提高11.6%提高11.6%C/N=0.5时，NRE下降3.1%C/N=0.7时，NRE提高0.4%粒径15m，NRE提高17.5%粒径5001000m，NRE提高34.6%参考文献56575558535459图5碳基材料对厌氧氨氧化性能影响可能存在的机理54,56,60 化工进展，2023，42（3）近年来，石墨烯家族对Anammox脱氮过程的影响引起了学者们的广泛关注（表 3）。Elreedy等61报道石墨烯纳米片（graphene nanosheets，GN）可通过刺激EPS分泌促进AnAOB颗粒化，并且由于其氧化还原特性加速了电子转移过程，从而增强Hdh 活 性，使 脱 氮 负 荷（nitrogen removal rate，NRR）提高46.03.1%。GO无论是短期还是长期影响均对Anammox性能有明显的促进作用，在短期试验中，GO 浓度为 0.1g/L 时，促进了 EPS 分泌，并使Anammox活性提高10.26%62；在长期试验中，虽然脱氮酶（Nir和Hdh）活性有所下降，但由于GO良好的微生物亲和力和电子传递性能提高了功能物种丰度，这可能是系统脱氮效果提高的原因63。Yin等64发现将GO添加至反应体系后，可在Anammox菌群的作用下快速被还原为RGO，大幅增强了脱氮酶（Nir和Hdh）活性，使NRR提高了17.2%。并且，在随后的试验中观察到，RGO具有更强的电子转移能力，可显著缩短Anammox工艺的启动时间17。Tomaszewski等65研究了低温条件下RGO对Anammox工艺的影响，结果表明RGO可提高Anammox活性和氮去除效果，这可能与RGO优异的电子转移能力有关，然而具体的机制还有待进一步研究。为更好地评估 GO和RGO 对Anammox系统的影响，Zhang等60考察了不同粒径和不同氧化程度的9种石墨烯材料对Anammox性能的强化效果，结果如图5(c)所示，氧化程度高的GO比RGO表现出更强的促进作用，并且随GO和RGO800尺寸的减小，这种促进作用进一步增强。这表明，GO/RGO中氧/碳比率（O/C）是影响Anammox过程脱氮效果的关键，具体而言，更多的含氧官能团和较强的电子传递能力具有更强的促进效果。4 结语综上所述，添加外源性RMs是实现Anammox工艺快速启动、低温运行、高效脱氮的有效策略。可通过增强电子传递，提高EPS产量、脱氮酶活性以及 Anammox 活性，提高反应系统的脱氮性能。此外，通过介导Anammox系统耦合其他工艺（如SNAP、SNAD和DNRA）进一步提高出水水质，降低出水总氮含量。因此，在未来的应用中，选择投加合适的RMs可能是优化Anammox工艺的可行性方案。本文回顾了前人关于RMs对Anammox影响的研究成果，在未来的工作中，仍有许多课题值得深入探讨。（1）RMs对Anammox的作用机理尚不十分明确。大部分研究虽然已从EPS产量、群体感应、脱氮酶活性和电子传递性能等角度对机理进行了阐述，然而，对RMs如何与EPS结合，是否可以穿过细 胞 膜 甚 至 是 厌 氧 氨 氧 化 体 膜，如 何 参 与Anammox代谢过程等信息的了解还比较有限。因此，可利用影像学（如透射电镜，X射线断层成像技术和同步辐射X射线荧光成像技术等）、分子生物学（如宏基因组学、转录组学、蛋白质组学和代谢组学等）以及其他检测手段，对其潜在的机理进行进一步揭示。（2）RMs对环境的负面影响有待阐明。尽管RMs对提升Anammox性能有明显的优势，但在实际工程中投加外源性RMs会对自然环境或人体健表3石墨烯家族材料对Anammox性能的影响RMs类型GNGOGOGOrGOrGOrGOrGOrGOGO/rGO反应器类型/有效体积血清瓶/75mL血清瓶/100mL血清瓶/100mLUSFCWs/1.5LSBR/0.3LSBR/0.5L血清瓶/100mLSBR/5LSBR/1L血清瓶/100mL温度/3523535137135135113103015或2335pH7.50.17.5787.00.27.00.27.30.27.60.37.50.47.50.2运行时间45h42h4h61d220d200d28h316h26d36h/18d添加量/mgL-1101001001或10100100151525150进水浓度/mgL-1NH+410012050505012025TN=124269100NO-210015050666515030132氮去除效果46.0%17.2%27.4%13.7%温度大于15C时，NRR可提升17%NRR与对照组相似GO比RGO对Anammox具有更好的促进效果参考文献61626463176667656860无植物潜流人工湿地。16142023年3月赵星程等：氧化还原介体介导厌氧氨氧化生物脱氮的研究进展康存在危害，因此，在实际应用前还需要从毒理学和生态学等专业角度综合考虑其对自然界的影响。（3）开发可溶性RMs固定化方案。大部分可溶性RMs在处理过程中可能会被微生物降解，因此RMs固定化既可减少连续投加带来的额外成本，还可以减少对环境的污染。（4）定向开发针对 Anammox 有促进作用的RMs。目前，一些对Anammox有积极影响的RMs，存在价格昂贵的缺陷，限制了其在实际工程中的应用。因此，需对RMs的物理化学性质进行进一步分析，明确材料上的哪些官能团或何种机制对Anammox性能起到增强作用。从而，采用人工合成的方式，定向构建价格低廉、性能稳定且环境友好的载体材料。（5）开展投加RMs的现场试验。目前，关于在Anammox过程中添加RMs的研究主要集中在实验室阶段，因此，需进一步研究RMs在中试规模或全规模实际项目中的处理效果，并核算投加RMs对污水处理厂成本效益的影响。参考文献1 MULDER A,VAN DE GRAAF A A,ROBERTSON L A,et al.Anaerobic ammonium oxidation discovered in a denitrifying fluidized bed reactorJ.FEMS Microbiology Ecology,1995,16(3):177-183.2 VAN DE GRAAF A A,MULDER A,DE BRUIJN P,et al.Anaerobic oxidation of ammonium is a biologically mediated processJ.Applied and Environmental Microbiology,1995,61(4):1246-1251.3 ALI Muhammad,OKABE Satoshi.Anammox-based technologies for nitrogen removal:advances in process start-up and remaining issuesJ.Chemosphere,2015,141:144-153.4 JIA Fangxu,YANG Qing,HAN Jinhao,et al.Modeling optimization and evaluation of tightly bound extracellular polymeric substances extraction by sonicationJ.Applied Microbiology and Biotechnology,2016,100(19):8485-8494.5 JIA Fangxu,YANG Qing,LIU Xiuhong,et al.Stratification of extracellular polymeric substances(EPS)for aggregated Anammox microorganismsJ.Environmental Science&Technology,2017,51(6):3260-3268.6 贾