一 研究背景- `3 n& L* ]( @* g
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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。 s* N7 b8 F) y8 \+ h Z
" [2 t) k+ @% V. U9 N
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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8 Q" {' `* [5 D5 r0 l& Z二 研究目的2 u7 {$ X( d3 q- p: k' h
5 t, c2 x" Y/ z4 N; t% N0 Y
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。
! V1 B& b; `* Y! [) s; m7 @" E7 L! P( [( w
三 材料方法
3 \" T1 t! i' B( [0 i$ s+ K: C4 k$ v) E0 H! ~
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。$ W( D6 `0 y0 M$ R; }
6 i$ b- H+ u4 ^+ B
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。" u/ f/ l8 t; y: y0 x8 C s
' h! [6 K7 y- M
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 {1 X- p* e' r" s
; Q3 I$ K9 A$ H2 }* q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。
, h8 I% m' X% q& z9 I3 x" X K7 K( y3 y0 ^8 H
四 结果与讨论, j1 K; E' d) C$ n$ @6 d
/ t1 h/ E4 |) ]9 c1. Mno2对厌氧氨氧化反应的作用
6 \: M3 K ?# X$ @8 c1 d: [$ e2 r- s$ P5 ~$ o
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) m L- J! `/ a
' U$ | |3 g' ]1 |. d! r
" U7 j. b( L$ N& W. T/ T* d表1 反应器在每个阶段的氮去除性能和化学计量比率5 P3 v6 P0 p% G: g6 l. b+ a( I
. w% H0 F( a; n& j/ _$ [3 m/ s G2.Mno2对厌氧氨氧化反应中生物颗粒特征的影响9 z$ d( c' e, ]5 e- j9 c! F T
, E/ X# n3 L8 ~, A- M
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 @. V. u. r! ~/ y5 F8 D
5 S8 K3 b6 G; U5 B$ [# r% w- D# n6 q7 F- b% `) N1 {
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。+ h$ I+ E1 x! `6 z& T
' @+ G& l, y# q/ M$ O; ~; P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。
; g9 r, U- ^; V1 Z( Z/ X( A: Z# w# ]5 x
; }7 m! n6 U; @- G4 S$ \4 w3 h7 b) \ O F3 |
图2 反应器中厌氧氨氧化菌的血红素C含量的变化。
0 {4 U( c$ x6 C. W q1 \1 ^- A3 b; X# C: \1 ]9 }
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）。
! N1 w$ d- l% A) W) u( h2 B/ Q6 Z7 q B, ~4 p- q
* |; Q7 ?2 M' _ y
5 l Z! |9 M7 M0 |3 x: E; d1 n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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+ U8 {% X2 p+ f) y, A4 y4 `0 E0 DPN：蛋白质，PS：多糖。
2 m& j$ h* X0 N! X
: \1 Z. c; y' d3. 微生物群落组成和多样性
# M$ O" [9 Y, }: O$ B# ]" d7 H1 s0 t) A: B, l, l: ^' u7 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。: W; Q0 q* ~3 h
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4 X v! C1 E& @4 n4 n+ ]4 P5 O" e8 V4 B5 b. {/ r- X$ Z W
表2 反应器中污泥样品的细菌多样性指数。3 R2 J& u. E( O9 M$ e( F
. }, y: ~5 `5 L$ b
1 K4 g' U$ e8 Y
4 F5 i* e8 g& z' D) B
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。/ A3 L% W" L. ?+ G+ V s5 E( _8 l
2 H5 w' I9 U( j- _# P; w# i! n
1 k' e) T2 r4 r6 G7 L& e
: r, F8 R- |4 x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。3 e" S: u! Y" P% u) A4 s
. e) f3 _. u% H
: ?+ E8 m6 z" o& `, ]# A
! l: b" n% U/ P: N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。) b2 v- Q4 b2 ~- F
) G: }5 g* D) _7 D
（B）表示从属类划分。
( D E9 b2 V# p7 ?" W: d- y' B" s7 N+ C4 c/ U
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。
- }, b4 F- @7 e, S. X' t. v9 o( C0 l. L+ x( o* J
五 结论
0 l8 l) y9 n$ N& w4 }1 _0 D7 j8 C' D6 Y6 d
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。
" B5 o* X# Z8 a' ?5 p, v4 Q, G2 H# u- A8 o# ]4 z; g. O; M
文章题目：Roles of Mno2 on performance, sludge characteristics and microbial community in anammox system N! Z6 J0 K8 D. ]
发表杂志：Science of the Total Environment
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