一 研究背景+ h8 X" t. c* {% L; ]
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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。; u7 R/ U9 Y; ~- W% N- S" e
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二 研究目的0 @$ }$ w. G; y9 ^! l7 M. u
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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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三 材料方法# _) [; S' E4 j
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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。/ T4 z7 [- [7 j
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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。2 L" H6 t% R8 }
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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。1 U( B) \4 S6 l# e
9 x8 p7 A. d g) ]$ _, J
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。% ~# C3 r% p& m* v) x" L% ^! g
1 s; n7 {$ k6 H6 M* u3 ^1 w$ N四 结果与讨论
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: b+ _( H2 d# i% g2 M& I' X1. Mno2对厌氧氨氧化反应的作用8 t5 G) r7 H4 |$ Y0 F: ]% Z! A ^
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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。2 z: ?( v: G. I9 t7 X* T6 h
- v) A6 m7 Q9 l
3 a, l9 o, u4 T
表1 反应器在每个阶段的氮去除性能和化学计量比率3 D$ G0 |. j9 i4 m" Y
3 i7 G! c0 }3 E2.Mno2对厌氧氨氧化反应中生物颗粒特征的影响# F! f7 \% w8 z, B
5 {2 v8 m9 a: @+ S0 e. {7 g/ g0 F8 b9 r
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）。
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1 u; }) y4 T; j" a$ A5 r7 C( k/ l9 T6 P! c$ Q" {: ~$ @9 s% F2 r
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。
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5 A x3 Z3 t; D- o& k) k! l& q% u8 T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。- U3 `' s. K' v
]" I; d- [; w* d. ^( K6 m8 @
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# A4 h0 M* f4 `. d图2 反应器中厌氧氨氧化菌的血红素C含量的变化。0 c" A, m# _6 h6 i/ B2 X
e" \2 v% o4 r j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）。* k2 X/ @' J0 `# T+ \
8 V7 \) S8 _; N
0 ^) X! U& U5 x; { S5 f* W8 i6 X$ V, 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。2 F8 Z/ p ]) I$ E# {8 Y) t
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PN：蛋白质，PS：多糖。
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3. 微生物群落组成和多样性
. ]6 s$ n6 e: v: ~3 P! d- J" I n. B j3 l$ G1 v/ N
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。: m9 V+ g* d `' F8 D) b% |
O! r( E5 d$ t8 |
/ N/ V! J8 H' `6 \( a
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表2 反应器中污泥样品的细菌多样性指数。
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5 S2 Y% g' c3 e6 ]% `
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6 n1 e- z. S* N$ U! N( {: L
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。
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4 `8 U! t0 K6 q
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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。5 z$ X& A ~6 u# 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。
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/ D, E/ }/ F @（B）表示从属类划分。- W$ [/ ~; r7 Q
" i4 g( |/ \$ {% z" r4 _- b0 G
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。
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五 结论
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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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) b* x4 b; o0 G: i3 `, ?$ b! N文章题目：Roles of Mno2 on performance, sludge characteristics and microbial community in anammox system
% A; {8 p1 W9 W7 `) E. z% v发表杂志：Science of the Total Environment
2 l! m1 I3 s# E. R% C7 z. p5 J8 P/ d( A
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