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。; o. z- @. Z# a! T' G0 s$ H) ^
s; G% o" f ]1 l3 P0 T; {# H
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 C8 m" o8 m$ N2 s: p1 y' ^( |
( ^$ ~# E$ B. W2 p4 \: Z9 J
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。
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f% u+ U0 k+ A' O三 材料方法5 V: X4 E& I# M/ ]9 b; I
) V. D# l) p& h( K3 g& 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。
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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。
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$ M0 i9 i2 G0 t8 u; c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。5 V# i$ n$ W+ O8 H: a! x
- _. b# Z, v1 Z: ^. g& E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。& h" I7 }( X( D J0 e" g
) a9 ^9 M$ O7 m1 Y1 y四 结果与讨论
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: i- ]* h! L. S0 ^; g. A1. Mno2对厌氧氨氧化反应的作用3 R% m6 {- N* b6 }" t
; p. f" S4 ~% c0 F2 ^4 i0 A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。) V" f/ C4 |2 J3 B) c) p
6 l3 [# ]7 E ^1 K$ W7 {( T2 z: M. M* R( M: H9 N5 L
表1 反应器在每个阶段的氮去除性能和化学计量比率0 T9 m/ M) |$ T3 \5 i5 ?
( x3 W+ c' f$ ?9 l" t: u2.Mno2对厌氧氨氧化反应中生物颗粒特征的影响5 j ~1 J, N' j& e. `
" z+ V: r: H5 T$ k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）。3 u Q% T y) R0 ^6 P) a& l& U! `6 x5 O R, ?
5 I& Y# F9 ]+ ?7 h) w, q, \2 W
9 M0 Y4 C6 _3 A1 _/ B
1 T* O! u C. h' R. A& s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。1 w/ |3 H. Z- W9 c4 Q. l/ A
, `" W# s" q4 @/ i. {: K
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。2 a3 y2 D- _& y
4 X: b/ K' T. c0 {% B. S" F- X
* e9 M4 |7 D+ [" {/ q, r# h. ^5 f+ C
图2 反应器中厌氧氨氧化菌的血红素C含量的变化。
8 Q8 b9 x% N) S1 `5 [# Y( T! z/ w! G; |$ [3 n* t! o
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）。
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5 I) T( T% i5 h$ W0 [
! d+ e9 G* l, I1 z
' N$ {2 T0 O- x& V7 @* X9 g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。
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9 f8 Y8 d, m/ sPN：蛋白质，PS：多糖。) |" {$ F4 Z$ x$ R$ z4 Y
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3. 微生物群落组成和多样性; I3 O8 r# [% g+ b, R8 y
7 k6 Z3 x/ R! Y' ^8 t& x) U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。
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+ y9 a+ K5 _. Y* q1 U
/ D& r( @0 R+ p, b1 F4 c- D* N9 W. T5 w9 t$ z+ d( E
表2 反应器中污泥样品的细菌多样性指数。
. c8 N, u. {8 D5 M/ l- |& B& L1 J
- w/ n! N" |1 o) g5 _
4 S D7 t, ^1 O0 b6 U
2 z% }0 J @+ D6 e, Q' u, N2 Q
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 R8 f+ K# M' v0 F+ V) \9 H$ z- v8 T5 l; g: `- w; \% k
* m. \ m( h8 K* L
( r+ U( D; S$ Q$ S$ _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。
; w! G8 e) j- n$ y+ N5 C3 o
0 O4 B* X6 X- E2 O
- h; S0 O+ \( P: i& Z# W
* d* N1 m2 ^7 A: v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。- c5 Z; k/ M( _1 u: I( C% {( o
! e4 i3 f# s2 S# w& ^
（B）表示从属类划分。
- z6 z% a7 y! G' H8 ^% ^6 w! d3 M9 ]" S. a
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。2 C# l( `+ Q( {& [4 I
* ^) w8 R( G0 P7 @! E五 结论
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l% s! r! q! N+ `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。
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文章题目：Roles of Mno2 on performance, sludge characteristics and microbial community in anammox system+ W: H& K u! G) @# b5 K
发表杂志：Science of the Total Environment. R$ q# }$ c4 ?# Z# ^4 H
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