一 研究背景
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厌氧氨氧化是一种生物介导反应，在缺氧条件下，自养厌氧氨氧化细菌会以亚硝酸盐为电子受体，将铵盐转化为氮气。该反应与传统的硝化作用和反硝化作用相比，产生的污泥和温室气体量少、无需有机碳和运行成本低等特点。因此，在富氮废水处理工艺中，这种生物除氮方法具有很大的开创性和应用前景。但该体系对多种环境因子较为敏感，在一定程度上限制了厌氧氨氧化反应在工业上的直接应用。因此，研究人员尝试采用富集氨氧化细菌、生物膜或膜反应器、物理、磁化、电子和生物强化技术方法解决这些问题。也有研究人员采用添加化学物质的方法来增强厌氧氨氧化过程。
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锰具有特殊的物理化学性质，锰氧化物在海洋沉积物中扮演了重要的角色。氧化锰的去氧化反应与含氮化合物的转化、氮气的生成紧密相关。研究表明，厌氧氨氧化反应会发生在海洋底泥生态系统中，锰的氧化反应能够促进厌氧氨氧化过程。然而，在人工厌氧氨氧化反应体系中，锰的氧化反应对特异微生物群落的长期影响还未被深入研究，且污水、底泥中的Mno2对厌氧氨氧化反应和特征也是未知的。目前研究发现，不同水流中Mno2的浓度差异较大，厌氧氨氧化反应的最佳Mno2浓度范围仍需要探究。
0 r* L* I/ S. \+ E$ ^6 h5 j1 i/ ?
8 x% C* r$ O4 }1 O$ p' i二 研究目的
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本研究旨在探究Mno2长期暴露对厌氧氨氧化体系中颗粒的影响，主要包括以下几个方面内容：(a)不同浓度的Mno2对氮去除效率的影响；(b)厌氧氨氧化颗粒性能的变化；(c)微生物群落结构的变化。这些信息能够评估厌氧氨氧化体系对微生物群落稳定性的影响，从而进一步提高工艺水平。6 Y: |5 L8 }2 v- ^8 q
P. n B9 N: G$ p+ a
三 材料方法
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/ {9 S1 W; z9 A, @7 H9 ?8 j7 S污泥获取方法：厌氧氨氧化接种污泥从35±1℃固定温度下运行一年的3.5 L规格升流式厌氧污泥床（UASB）反应器中获取。8 ]. q f+ \" c2 }5 F
7 Y. \% ~+ Q* ~. y* f( k! A; }合成污泥组成元素：反应培养所用的合成污泥由铵盐、亚硝酸盐、无机盐溶液和微量元素组成。
0 q; Q% d$ \& l" d9 M, C3 F4 t& h
测定和分析方法：采用苯酚-次氯酸盐法、N（1萘）-乙二胺法、苯酚-二磺酸法、APHA标准方法、加热萃取方法、蒽酮法和改良酚试剂法等对其进行测定和分析。
0 G/ i, }# y/ l, h$ x1 B' E0 L
% r" l1 b) Z+ ~! V0 d5 g9 \9 h( m" `: S取样和测序处理：取在反应器中运行第25、145和175天时的底泥样品，扩增16S RNA的V4区域，测序并进行微生物群落分析。4 G0 A# B- q) P% R, R. a
' I; [& @ v, H& ?+ W7 p" M
四 结果与讨论
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1. Mno2对厌氧氨氧化反应的作用5 k% G! l- K: H% `7 ^! u
' e- Z, ^7 c0 w9 H& i. [
从P0到P5阶段，流出水的PH值先降后升，且在50 mg/L Mno2时该反应体系即可达到最佳效果。
5 `; x9 I: w! J8 K5 ^
7 h7 r3 x; [7 H3 Y' O& J
( Q. a) d1 B; O6 z表1 反应器在每个阶段的氮去除性能和化学计量比率
' G9 z& i9 \; J! X, ]! S3 T/ R) `
. [; A- j+ u7 ^" `' c2.Mno2对厌氧氨氧化反应中生物颗粒特征的影响& W1 f& Q7 J8 {5 R* w! J* i
: A$ W+ P6 a! q$ p4 D
厌氧氨氧化反应中Mn2+的添加能提高SAA水平。该生物反应对生物量的变化无显著影响（见下图）。
2 B" | S9 b) s8 I, P6 K" D
8 G a' w i4 a, M2 ?/ y2 I x
3 T1 f* P/ A1 I* I
_1 g8 Y! H& h& {图1 在不同阶段，反应器中厌氧氨氧化菌的特异厌氧氨氧化活性(SAA)(图A)和生物量的变化。SS：悬浮颗粒，ASS：挥发性悬浮颗粒。# K4 q' \, e+ }: z
% J+ r( v" Y* b
同时，由下图可猜测该反应产生的血红素C与Mno2的添加有关。$ R# C8 [0 v$ S5 |; Q' w! n
0 q0 a& }# n5 D6 B* M) [% I" C
9 m& Q: W1 t7 v0 ~' o
1 Y# @9 R2 j, D0 V% b
图2 反应器中厌氧氨氧化菌的血红素C含量的变化。
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长期驯化能够提高自养厌氧氨氧化细菌的适应性，Mno2的添加能使微生物产生更多的EPS，EPS的产生可能更有利于脱氮作用。高浓度Mno2使厌氧氨氧化体系有更好的沉降性能。Mno2的长期添加对沉降性能的提高有利（见下图）。 ~- R& T( k# z; c+ w8 u" u K
( ^0 L, \2 l+ ~/ u2 ]/ o/ K
% Y4 h6 w- _( X& |8 | T7 s0 s0 s I
图3 不同阶段，MnO2的长期添加对厌氧氨氧化菌的胞外聚合物（EPS）数量（图A）和沉降速度-Vs（图B）的影响。
" D6 R& j6 T$ j% {
9 E9 U" s1 _6 n8 N, H! mPN：蛋白质，PS：多糖。
& E. k5 z: |2 B& t8 s' L* @" o* `: ~$ \1 g& V" M9 Z
3. 微生物群落组成和多样性
4 j& S7 F) k' H# q' f& R m8 } E4 H: p
由下可知，随着Mno2的持续添加，微生物群落的多样性也持续升高。
& b0 f0 b5 o" @
/ h; C% p8 ~/ w5 q
7 o2 r, W9 k/ O% `' \% k; S2 {" q' z, n# x4 c' L' y8 o
表2 反应器中污泥样品的细菌多样性指数。) T- A' V7 Q. C B4 n6 Q7 e5 d
1 s3 V& E/ v, L0 M/ q
/ B& \5 B$ T; ^3 ]% S) N7 Z
3 H8 q, E$ @9 `3 |( A9 r5 |图4 反应器颗粒污泥中数量比例大于0.5%的微生物群落结构。（A）表示从门类划分。 T3 M, L- f @# X4 j/ m
- _$ k5 f H/ n
0 k& i$ ^+ C9 M
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图5 反应器颗粒污泥中数量比例大于0.5%的微生物群落结构。（C）表示从属类划分。
( z: R& t# m. B1 n5 `% |
+ p9 n* K7 f" K7 y+ S% b
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图6 反应器颗粒污泥中数量比例大于0.5%的微生物群落结构。
* O) U& z4 I; g" K2 D8 p j
' V" q, {+ {; F2 z（B）表示从属类划分。9 P* Z7 R6 P; J0 o' ^1 J% D, G2 S' e
8 Z2 b( a. R, g F Y4 v: z2 E
本文探究了Mno2、细菌和NRR之间的关系。结果显示，浮霉菌门（Planctomycetes）与NRR呈正相关关系，表明在UASB的厌氧氨氧化反应过程中，浮霉菌门（Planctomycetes）对氮的去除起到了积极作用；另外，在该反应中，Candidatus Kuenenia数量比例与TREN值的变化一致，表明Candidatus Kuenenia 对厌氧氨氧化反体系中氮的去除至关重要。% O! _, I7 O9 q8 O+ w- d
: X; J) g s L+ W
五 结论. P9 B9 o* Z; t0 C' K. w% G
. M: R4 @1 {" r; E长期添加1-200 mg/L的Mno2对氮的去除起到了积极作用。NRR与理化特征（沉降速率-Vs）和生物学特征（SAA、血红素C和EPS）有相同的变化趋势。随着Mno2的持续添加，微生物的优势门、纲、属的丰富度和多样性的变化增长趋势一致。厌氧氨氧化菌（Candidatus Kuenenia）总是保持为优势属。从试验结果和经济方面来看， Mno2浓度达到50 mg/L时，该反应体系即可达到最佳效果。本文研究结果表明，Mno2在anammox体系中起重要作用，它不仅能增强该体系的运行性能，还能起催化作用。
6 ^7 u3 o3 A! U! B( \3 X7 i8 S. O& z' O% t2 b
文章题目：Roles of Mno2 on performance, sludge characteristics and microbial community in anammox system
3 b% Q( M8 n" F6 d, M# ~发表杂志：Science of the Total Environment
, [3 r: }7 B! ]( c" j1 } J3 L- v j5 r4 R0 F% h
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