一 研究背景6 ?! ?3 X( l6 _; X" K5 n, j9 L9 w
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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。% h& p+ l+ `, Q/ u! `5 R2 Z* n; ]
' j+ B. H7 r C9 `: [3 c二 研究目的6 g' S% X! A5 Y
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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。
( _/ u, n O% l, ?+ I/ e5 Z- r& [4 g c: Y. Q$ N$ W8 b# s# Y4 R: u
三 材料方法& o6 Y2 M+ h, e8 p9 G
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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。' u7 q% E& D! R1 z; i5 s0 l3 f5 B( 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。% e( A+ J1 u. u4 Y7 @
5 u8 U- Z6 ]/ D* u$ K$ u t, ?7 V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。9 w0 p, F( Q' [
" q. P8 C- |' k4 w2 p* ]
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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" }, H: i" [! Y" I4 U四 结果与讨论7 N8 Y" {" f9 M& k
: h" y9 H4 t8 ^/ G5 Z6 E1 |1. Mno2对厌氧氨氧化反应的作用
3 m9 y1 W* y" D. J. j7 Q$ U5 `" e
( e) A3 \# w' b3 Y% B6 b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。) j; \7 o+ a3 c' [; w) p7 x
) s. |. G3 C& A: W; w/ |
( ` g; e4 p: x0 k5 q3 t表1 反应器在每个阶段的氮去除性能和化学计量比率1 @$ v# a: z+ H% |/ S9 Z; x
/ @" M! l8 O8 o: s& }' {
2.Mno2对厌氧氨氧化反应中生物颗粒特征的影响# r. M* `( Z$ ?0 ]+ a& o3 w
; ^# W4 w& y* p9 |3 e0 R* B. J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# X! P4 }6 M. H9 d/ m( s
% |* j( c4 _; B% B
8 X; S; s( W3 m2 Q
( l. a' a: W. S4 F* k* K1 |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。, ?9 W: Q8 d0 e, d; ^
/ a; n4 w6 o: u. O8 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。
& q( Z! H6 {, g" m: Z9 ~% l) t) j, r( M5 c
' ^0 ]3 U4 r& E- n5 i+ G6 @
& s; P% c4 i6 ]4 k0 L+ G# o6 R3 N4 a
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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3 s- g4 @0 x M0 s3 g" a% {( v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）。
4 [3 D' W x( F4 _6 i- H4 {- I# A4 e* h
& ]. C6 [' a) [# ] T+ ^0 J) x: A8 M
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。/ I; A9 l, T# D& ` K0 _
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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
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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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" e- l+ P: Z: l( [3 E1 |1 ?8 f
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: P+ O4 c4 N+ B0 F4 C6 k" E3 W1 _6 Y表2 反应器中污泥样品的细菌多样性指数。
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( ^$ P0 b, \$ r5 H+ O
9 m" v+ K- C, d% y6 ]
. A- |7 V! o: U: d H# n2 S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。) g9 `6 j5 G; n) M* i
) v) S0 x6 n9 r9 a! W
. G) D1 m& y1 X
* d1 ]/ |' g. r$ f- ~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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4 q1 ]& b- v+ c R
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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。
. C$ \, E7 {- C$ ]6 A6 T
/ L5 B! ?. e* E（B）表示从属类划分。: L! r; h' D1 B+ x
( w) @+ _# W! O% @$ {; d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。! b' }7 l3 I! r- T
Z( ~2 v! P6 A, d7 \5 ^
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。/ ?- D% N( t0 X' v& d# w
" d9 |3 J9 \! K/ a) k" H, Q
文章题目：Roles of Mno2 on performance, sludge characteristics and microbial community in anammox system6 R3 L8 R0 T; P/ l6 \# `
发表杂志：Science of the Total Environment- R8 F2 m! }3 ]) c( S1 f
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