一 研究背景' H. u0 w( H3 |) G; v! b
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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。& S8 `( ^1 f; b6 Q
) y+ d( X6 e8 p" [0 I2 ~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。
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+ `. `! N# X$ q2 t h1 V二 研究目的( d' a/ Y& t/ o0 E5 E3 T: M
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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
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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。' b; ~* s7 b U; b
& P) t3 P2 e2 H# x( x: u9 i
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。1 b9 P1 F3 I, o( L* S6 @( x3 Q8 X
- T! {5 Z+ F* X; `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。
6 }4 R. }+ N" }' p( T9 _; @3 H5 \ T. `4 f. U1 h$ o) {5 [
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。
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四 结果与讨论# ^+ p3 N# |8 s$ `' f5 F* b$ k
: A; ]& `4 y" o' N( S E
1. Mno2对厌氧氨氧化反应的作用
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* f. a7 T) m1 I7 x9 V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。
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( @" P2 o2 w1 R/ x表1 反应器在每个阶段的氮去除性能和化学计量比率
6 i9 ]. M9 d7 l+ I: O( }; I4 `* q+ s
/ q3 N; C: x: F, _2.Mno2对厌氧氨氧化反应中生物颗粒特征的影响
" H: f& x4 j+ ^0 ?( T& S
( B2 ~6 q* z8 j' O# a& P1 e# O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）。
- H- M4 N2 J5 E) g
) L, L( I" O7 x* d9 r, i; o
5 f# ?$ h7 @4 z
8 ^0 ?/ A; V5 S' P. c
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。
4 R8 y! g3 w0 z5 k ]: w$ Q2 Q; Q1 f6 [/ ?$ Y
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。5 V e5 {) F1 E0 J; c/ N0 k4 u, y
6 d3 [6 j1 U! g! U& O% J5 N6 w
2 M! N: k- a8 }1 m! [8 g
4 ?* N- s( |+ B8 A( o! |% l图2 反应器中厌氧氨氧化菌的血红素C含量的变化。4 }" U) w) ^! J7 K& K
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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）。
" {. w( a$ i, [+ k, [& D/ ?6 }1 L+ |1 Y1 G5 ?$ i6 ?
* f( @: e) \1 k+ ~0 a$ ^# S
0 V8 z( N: L! F- X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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& w) L! }# Q4 {: l' t( z2 zPN：蛋白质，PS：多糖。! Z) c* c1 @! C0 h
c, |8 J% N6 j' n$ u0 b! t0 q! W
3. 微生物群落组成和多样性2 ]: ?0 W& }4 ?" K' b
0 H; p. R F3 H+ c2 Z
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。* n9 u) i+ r& S7 f2 O5 n1 S. V5 A
0 B/ K) ?$ s8 S8 \6 h
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表2 反应器中污泥样品的细菌多样性指数。
/ K* c6 s# Z* w- W% V8 o) C5 m: |. _" e4 C
+ i, P3 x L7 e% O. v D; @' X
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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。2 Q6 a- I+ e* o8 @% i K) b& c2 ?9 L
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" D# p/ i% Y. R3 y* j, n! [; `
# `" Z0 q+ y1 l0 m% }: `: D A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。
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; ]9 `5 F1 J1 O O# M- a- S+ a6 z" f7 U) W1 P" T5 |! V1 g4 ^8 Z4 Q
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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（B）表示从属类划分。) v* G7 j) H2 M. [: `
, _* G) T6 ]' ]: m3 p
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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; d' Q6 h/ w0 p5 K& e) P3 T* n五 结论& n9 L) p& z9 u2 @- A
{4 p( R j7 x: G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。( x" d6 o' o% S3 B% n
; x. Q# k! r" }; H5 P5 Z# Q文章题目：Roles of Mno2 on performance, sludge characteristics and microbial community in anammox system& `, e& F/ U; l4 z8 v$ l
发表杂志：Science of the Total Environment
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