摘要：微生物脫氮是一種經(jīng)濟(jì)有效的治理水體氮污染的手段。目前微生物脫氮過程主要有厭氧氨氧化、硝化、反硝化及同時(shí)硝化反硝化等。鐵是環(huán)境中普遍存在的金屬元素，也是微生物所需的重要微量元素之一。在微生物脫氮系統(tǒng)中，鐵鹽或者含鐵固體化合物等的投加會(huì)對(duì)微生物及脫氮工藝過程等產(chǎn)生一定的影響，且對(duì)于不同種類的微生物與不同的脫氮工藝，鐵所產(chǎn)生的影響也將不同。本文全面綜述了近些年的研究報(bào)道中鐵對(duì)厭氧氨氧化、硝化、反硝化及同時(shí)硝化反硝化等不同脫氮過程中含氮污染物去除效果的影響，鐵與脫氮微生物的酶活性、電子傳遞、增殖富集及脫氮反應(yīng)器中生物膜、污泥絮體及顆粒形成等之間的作用關(guān)系，旨在全面理解鐵對(duì)微生物脫氮系統(tǒng)的作用與內(nèi)在機(jī)制，為實(shí)現(xiàn)利用鐵強(qiáng)化微生物脫氮過程、提高微生物脫氮效率提供借鑒。

關(guān)鍵詞：鐵;微生物脫氮;過程強(qiáng)化;作用機(jī)制

工業(yè)污水、農(nóng)業(yè)污水及生活污水等往往存在著多種含氮污染物，包括氨氮、亞硝酸鹽氮、硝酸鹽氮等，對(duì)環(huán)境生態(tài)造成嚴(yán)重危害[1,2]。微生物脫氮具有處理徹底、無二次污染及經(jīng)濟(jì)等優(yōu)點(diǎn)而被用于含氮廢水的處理[3]，其基本原理是利用微生物的同化或異化作用，將廢水中的含氮化合物轉(zhuǎn)化為生物質(zhì)或氮?dú)獾葰鈶B(tài)產(chǎn)物而從廢水中徹底去除。目前主要的微生物脫氮過程有厭氧氨氧化、硝化（氨氮、亞硝酸鹽氮的好氧氧化）、反硝化（硝酸鹽氮、亞硝酸鹽氮被還原為氣態(tài)產(chǎn)物氮?dú)獾龋┘巴瑫r(shí)硝化反硝化等。

鐵是地球上含量較多的金屬元素，來源廣泛、價(jià)廉易得。同時(shí)，鐵也是生物系統(tǒng)中最豐富的過渡金屬元素，可與碳、氧、硫和氮等形成多種絡(luò)合物[4]，是微生物所需的重要微量元素之一[5]。微量元素鐵能夠促進(jìn)微生物的電子傳遞、酶的合成等，提高微生物活性和對(duì)氮的利用與轉(zhuǎn)化[6]。含零價(jià)、二價(jià)及三價(jià)等不同價(jià)態(tài)和不同化學(xué)形態(tài)的鐵單質(zhì)或化合物，其對(duì)微生物脫氮過程造成的影響也會(huì)有所差別[7,8,9,10]。含氮廢水脫氮過程涉及不同種類的微生物，對(duì)鐵的需求或鐵對(duì)其產(chǎn)生的影響也會(huì)不同，過量的鐵可能抑制微生物的活性，造成微生物的中毒或死亡，因此需要研究實(shí)際情況中鐵對(duì)微生物脫氮過程的影響，以確定含鐵物質(zhì)的適宜投加形式與用量[6,11]。

全面理解鐵對(duì)微生物脫氮過程的影響及作用機(jī)制，對(duì)于利用鐵提高微生物脫氮活性，改善微生物脫氮工藝，促進(jìn)含氮廢水的高效處理具有積極意義。本文全面綜述了近些年來的研究報(bào)道中鐵對(duì)厭氧氨氧化、硝化、反硝化及同時(shí)硝化反硝化等不同微生物脫氮過程中含氮污染物去除過程的影響，以及鐵與脫氮微生物的酶活性、電子傳遞、增殖富集及脫氮反應(yīng)器中生物膜、污泥絮體及污泥顆粒等之間的作用關(guān)系，旨在全面理解鐵對(duì)微生物脫氮過程的影響及其產(chǎn)生的內(nèi)在機(jī)制，為實(shí)現(xiàn)在實(shí)際生產(chǎn)中利用鐵強(qiáng)化微生物脫氮過程提供借鑒。

1 鐵對(duì)廢水微生物脫氮的影響

目前用于廢水脫氮的微生物過程主要有厭氧氨氧化、硝化、反硝化及同時(shí)硝化反硝化等。

1.1 厭氧氨氧化

厭氧氨氧化菌在厭氧條件下能夠以氨氮為電子供體、亞硝酸鹽氮為電子受體，將氨氮與亞硝酸鹽氮同時(shí)轉(zhuǎn)化為氮?dú)猓捎糜谔幚砀甙钡獜U水[12]。而為了提高厭氧氨氧化中的脫氮效率、縮短反應(yīng)器啟動(dòng)時(shí)間，強(qiáng)化厭氧氨氧化脫氮效果，研究者對(duì)鐵在不同投加形式和投加量下對(duì)厭氧氨氧化脫氮效果的影響開展了廣泛的研究（表1）。

離子形式的鐵（Fe2+或Fe3+）以及與EDTA-2Na螯合的二價(jià)鐵Fe(Ⅱ)（EDTA-FeNa2）等被添加到厭氧氨氧化反應(yīng)器中，用于促進(jìn)微生物的厭氧氨氧化脫氮[13,14,15,16]。如表1所示，F(xiàn)e2+或Fe3+在濃度為1～5mg/L以及Fe(Ⅱ)在濃度為0.06～0.12mmol/L（約3.35～6.72mg/L）時(shí)，均能提高厭氧氨氧化脫氮效果[13,14,15,16]。而當(dāng)鐵離子濃度過高時(shí)，反而會(huì)抑制厭氧氨氧化。在厭氧氨氧化生物濾池反應(yīng)器中，當(dāng)Fe2+添加濃度（10～20mg/L）超出適宜濃度范圍1～5mg/L時(shí)，厭氧氨氧化受到抑制，過量的Fe2+將被吸附于厭氧氨氧化生物膜上，以緩解對(duì)脫氮的抑制作用，而當(dāng)Fe2+濃度繼續(xù)增加（30～50mg/L），超出了厭氧氨氧化生物膜對(duì)Fe2+的吸附容量時(shí)，不能被生物膜吸附的Fe2+將進(jìn)入微生物細(xì)胞內(nèi)，嚴(yán)重抑制微生物活性，降低脫氮效果，這種抑制將是不可逆轉(zhuǎn)的[15]。

零價(jià)鐵（ZVI）、四氧化三鐵（Fe3O4）等固體形態(tài)的含鐵物質(zhì)，在水溶液中能夠通過水解或解離釋放出鐵離子（Fe2+和Fe3+），也可用于促進(jìn)厭氧氨氧化脫氮[8,17]（表1）。Ren等[8]研究了不同尺度的ZVI材料，包括毫米級(jí)零價(jià)鐵（mZVI）和納米級(jí)零價(jià)鐵（nZVI），結(jié)果表明，在上流式厭氧污泥床反應(yīng)器中，mZVI和nZVI的投加均能提高厭氧氨氧化對(duì)含氮污染物的去除速率或去除率，且nZVI對(duì)厭氧氨氧化脫氮的促進(jìn)效果優(yōu)于mZVI。ZVI水解產(chǎn)生Fe2+促進(jìn)厭氧氨氧化脫氮，同時(shí)也可作還原劑將硝酸鹽通過化學(xué)作用還原為氨氮，去除硝酸鹽的同時(shí)提供了充足的厭氧氨氧化底物[8]。nZVI相對(duì)于mZVI更能促進(jìn)厭氧氨氧化脫氮的原因可能是nZVI具有比mZVI更高的活性[19]。投加到厭氧氨氧化系統(tǒng)中的ZVI快速水解產(chǎn)生的Fe3+在堿性條件下易轉(zhuǎn)化為氫氧化鐵[Fe(OH)3]紅色絮狀固體，沉積于厭氧氨氧化污泥顆粒的表面，抑制厭氧氨氧化菌活性，因此，隨著反應(yīng)器運(yùn)行時(shí)間的延長，ZVI對(duì)厭氧氨氧化脫氮的作用將會(huì)由促進(jìn)轉(zhuǎn)為抑制[17]。Fe3O4也能夠溶于水解離出Fe2+和Fe3+，與ZVI不同的是，F(xiàn)e3O4的離子化速率與厭氧氨氧化系統(tǒng)對(duì)Fe2+和Fe3+的消耗速率保持平衡，在厭氧氨氧化系統(tǒng)中投加Fe3O4時(shí)未檢測(cè)到Fe(OH)3生成，F(xiàn)e2+和Fe3+濃度保持穩(wěn)定，從而對(duì)厭氧氨氧化產(chǎn)生更穩(wěn)定的促進(jìn)作用[17]。

厭氧氨氧化反應(yīng)器的啟動(dòng)耗時(shí)較長，適量鐵的添加能夠縮短厭氧氨氧化反應(yīng)系統(tǒng)啟動(dòng)時(shí)間[13]。Ren等[8]的研究表明mZVI和nZVI的投加能使上流式厭氧污泥床反應(yīng)器中厭氧氨氧化啟動(dòng)時(shí)間由126天分別縮短到105天和84天；Bi等[20]通過投加0.09mmol/L Fe2+使上流式厭氧氨氧化反應(yīng)器的啟動(dòng)時(shí)間由70天縮減至50天。厭氧氨氧化反應(yīng)器啟動(dòng)時(shí)間的縮短，促進(jìn)了厭氧氨氧化技術(shù)在實(shí)際廢水脫氮中的應(yīng)用。

Li等[21]提出了一種將厭氧氨氧化與鐵氨氧化、鐵型反硝化耦合的新型脫氮過程，能夠同時(shí)脫除一些廢水中同時(shí)存在的氨氮和硝酸鹽氮（圖1）：①通過鐵氨氧化，微生物利用Fe3+為電子受體將氨氮氧化為亞硝酸鹽氮、硝酸鹽氮或氮?dú)?同時(shí)Fe3+被還原為Fe2+；②通過鐵型反硝化，微生物利用①中生成的Fe2+為電子供體還原硝酸鹽氮為亞硝酸鹽氮或氮?dú)?，而Fe2+又被氧化為Fe3+；③系統(tǒng)中剩余的氨氮與前述兩個(gè)過程中的亞硝酸鹽氮在厭氧氨氧化菌的作用下最終也轉(zhuǎn)化為氮?dú)?，氮的轉(zhuǎn)化過程與鐵的轉(zhuǎn)化過程（Fe2+和Fe3+）相結(jié)合，鐵相當(dāng)于該耦合脫氮過程的催化劑。在該耦合脫氮反應(yīng)系統(tǒng)中，F(xiàn)e3+添加濃度為30mg/L，經(jīng)過62天的運(yùn)行，氨氮和硝酸鹽氮出水濃度由相同的進(jìn)水濃度50mg/L分別降低至16.2mg/L和20.6mg/L，有效實(shí)現(xiàn)了氨氮與硝酸鹽氮的同時(shí)去除[21]。

1.2 硝化

在硝化培養(yǎng)基中添加0.05～0.2mg/L Fe2+，即能促進(jìn)哈爾濱不動(dòng)桿菌對(duì)氨氮的異養(yǎng)硝化作用，其中，在Fe2+的最適添加濃度0.1mg/L下，哈爾濱不動(dòng)桿菌對(duì)氨氮的硝化速率由未添加Fe2+時(shí)的0.19mg/(L·h)顯著提高至0.50mg/(L·h)[22]。王秀蘅等[23]在對(duì)厭氧好氧脫氮工藝中好氧段氨氮硝化過程的研究中發(fā)現(xiàn)，5～20mg/L Fe2+的添加能夠促進(jìn)微生物對(duì)氨氮的硝化作用，其中20mg/L Fe2+的投加最高可使微生物對(duì)氨氮的轉(zhuǎn)化率由0mg/L Fe2+時(shí)的約43%提高至約54%，而隨著Fe2+投加量繼續(xù)增加（20～80mg/L），這種促進(jìn)作用有所減弱，但未達(dá)到產(chǎn)生毒性積累而抑制脫氮的程度。

在序批式生物膜反應(yīng)器中裝填含ZVI復(fù)合載體（生物海綿鐵），反應(yīng)器運(yùn)行的穩(wěn)定階段和出水回流階段氨氮去除率分別為60.6%和72.8%，而在裝填不含ZVI載體的反應(yīng)器中，相應(yīng)階段氨氮去除率分別僅為13.5%和16.8%，ZVI對(duì)氨氮硝化的促進(jìn)作用顯著[24]。Ma等[25]的研究表明，序批式活性污泥反應(yīng)器在60mg/L磁性Fe3O4納米粒子長期作用下，氨氮氧化速率受到磁性Fe3O4納米粒子的抑制，由未添加磁性Fe3O4納米粒子時(shí)的約5.2mg N/(gMLVSS·h)（MLVSS表示混合液揮發(fā)性懸浮固體濃度）降低至約4.7mg N/(g MLVSS·h)，而亞硝酸鹽氮硝化速率則由約4.9mg N/(g MLVSS·h)提高至7.10mg N/(g MLVSS·h)。從氨氮去除效果來看，隨著磁性Fe3O4納米粒子濃度由0增加到60mg/L，活性污泥反應(yīng)器對(duì)氨氮的去除率基本穩(wěn)定在98.50%左右，此濃度范圍的磁性Fe3O4納米粒子對(duì)硝化效果沒有顯著影響[25]。

1.3 反硝化

1.3.1 傳統(tǒng)反硝化

Pintathong等[26]對(duì)泛營養(yǎng)副球菌P16反硝化過程的研究表明，硝酸鹽氮初始濃度為700mg/L時(shí)，在培養(yǎng)基中添加1.5μmol/L Fe3+，48h后硝酸鹽氮去除率由對(duì)照組（未添加Fe3+）的30.9%提高至51.8%。Fe3+長期作用于序批式活性污泥反應(yīng)器時(shí)，低濃度的Fe3+（不超過40mg/L）能夠促進(jìn)反硝化脫氮，其中，F(xiàn)e3+添加濃度為20mg/L和40mg/L時(shí)，總氮去除率相近，分別為89.7%和89.8%，高于對(duì)照組（0mg/L Fe3+）85.1%的總氮去除率；而當(dāng)Fe3+投加濃度增至60mg/L時(shí)，則會(huì)抑制微生物脫氮，總氮去除率降至76.4%，低于對(duì)照組[27]。

在60mg/L磁性Fe3O4納米粒子的長期作用下，序批式活性污泥反應(yīng)器中硝酸鹽氮還原速率由不添加磁性Fe3O4納米粒子時(shí)的約12.10mg N/(g MLVSS·h)提高至18.64mg N/(g MLVSS·h)，出水硝酸鹽氮濃度比無磁性Fe3O4納米粒子添加時(shí)降低了39.9%，而亞硝酸鹽氮還原速率則由不添加磁性Fe3O4納米粒子時(shí)的11.32mg N/(g MLVSS·h)降至10.41mg N/(g MLVSS·h)，相應(yīng)的出水亞硝酸鹽氮濃度由幾乎為0到最終穩(wěn)定在0.06mg/L[25]?？偟膩砜矗?0mg/L磁性Fe3O4納米粒子的長期作用能夠?qū)π蚺交钚晕勰喾磻?yīng)器的反硝化過程產(chǎn)生促進(jìn)作用[25]。

1.3.2 氫自養(yǎng)反硝化

氫自養(yǎng)反硝化菌以氫氣為電子供體通過反硝化作用還原硝酸鹽，該過程產(chǎn)生有機(jī)物量少、反硝化效率高，然而由于氫氣成本高、易爆炸，其應(yīng)用受限[28,29]。浸入水中的零價(jià)鐵納米顆粒通過電化學(xué)腐蝕作用產(chǎn)氫，能夠?yàn)闅渥责B(yǎng)反硝化菌——真養(yǎng)產(chǎn)堿桿菌（Alcaligenes eutrophus）提供氫氣作電子供體，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)硝酸鹽的還原和去除[29]。

1.3.3 鐵型反硝化

利用鐵化學(xué)還原法去除污染水體中的硝酸鹽氮時(shí)，硝酸鹽氮的還原產(chǎn)物為氨氮，不能徹底脫氮，且該反應(yīng)需在較低的pH條件下進(jìn)行[30]。而將硝酸鹽反硝化與亞鐵氧化過程耦合，通過微生物以亞鐵為電子供體進(jìn)行的反硝化作用，硝酸鹽轉(zhuǎn)化為氮?dú)舛粡氐酌摮磋F型反硝化[31,32]。不同形式含鐵物質(zhì)作電子供體的鐵型反硝化過程在水體微生物脫氮中的應(yīng)用見表2。

Lu等[33]將零價(jià)鐵應(yīng)用于微生物自養(yǎng)反硝化，菌株CC76兼具厭氧反硝化與還原鐵功能，可利用零價(jià)鐵在水溶液中氧化生成的Fe2+作電子供體，通過反硝化作用除去水體中的硝酸鹽，F(xiàn)e2+被氧化為Fe3+后又被CC76菌還原，實(shí)現(xiàn)了鐵的循環(huán)。張寧博等[34]通過在反應(yīng)器中投加還原鐵粉實(shí)現(xiàn)了鐵型反硝化，并通過改進(jìn)反應(yīng)器回流方式解決了副產(chǎn)物三價(jià)鐵的氫氧化物等引起的污泥礦化與硝酸鹽還原活性降低的問題。Zhou等[36]在上流式生物濾池中實(shí)現(xiàn)鐵型反硝化脫氮，以Fe(Ⅱ) [Fe(Ⅱ)EDTA]為電子供體時(shí)，最大脫氮效率接近90%。在硝酸鹽氮、亞硝酸鹽氮與Fe2+共存的環(huán)境水體中，生物反硝化與鐵氧化過程耦合可實(shí)現(xiàn)氮與鐵同時(shí)去除（其中，F(xiàn)e2+生成羥基氧化鐵FeOOH沉淀）[35]。鐵型反硝化脫氮污泥中高含量的鐵化合物還可與磷酸鹽類污染物結(jié)合形成磷酸鐵等沉淀，實(shí)現(xiàn)含鐵污泥的回收利用與同時(shí)脫氮除磷[37]。

固體形態(tài)的亞鐵化合物，包括硫化亞鐵（FeS）[38]、氫氧化亞鐵[Fe(OH)2][38]、黃鐵礦（FeS2）[39]、磁黃鐵礦（Fe1-xS，x=0～0.125）[40]及菱鐵礦（FeCO3）[41]等也能夠?yàn)殍F型反硝化過程提供電子供體。Wei等[38]利用污水處理廠富鐵污泥中的氫氧化亞鐵和硫化亞鐵為硝酸鹽自養(yǎng)反硝化提供電子供體，既實(shí)現(xiàn)了有效脫氮，又能使富鐵污泥得到合理處置。Torrentó等[39]以黃鐵礦FeS2為電子供體實(shí)現(xiàn)微生物對(duì)地下水中硝酸鹽氮的反硝化還原。Li等[40]和Yang等[41]分別利用磁黃鐵礦和菱鐵礦作為微生物鐵型反硝化的電子供體，實(shí)現(xiàn)廢水同時(shí)脫氮除磷。固體亞鐵化合物作電子供體時(shí)，硝酸鹽氮還原速率與含鐵物質(zhì)的類型與表面積等因素密切相關(guān)[38,39]。

Zhang等[42]將鐵碳微電解（IC-ME）與生物反硝化耦合用以處理低COD/硝酸鹽比煤氣化廢水中的硝酸鹽。其中，IC-ME載體由零價(jià)鐵廢料和碳為原料制得，在該耦合體系中，零價(jià)鐵通過電化學(xué)腐蝕作用釋放出Fe2+，為硝酸鹽反硝化提供電子供體。該耦合過程與鐵屑直接作電子供體相比，加快了鐵的腐蝕與電子供體Fe2+的釋放，總氮去除率也提高了16.64%[42]。

1.4 同時(shí)硝化反硝化

好氧反硝化菌的發(fā)現(xiàn)使得硝化作用和反硝化作用能夠在同一反應(yīng)器中同時(shí)進(jìn)行，從而實(shí)現(xiàn)廢水微生物脫氮，該過程即同時(shí)硝化反硝化[43]。Chen等[44]研究表明，在同時(shí)硝化反硝化活性污泥反應(yīng)器中添加車床切割廢料中的鐵屑，廢水的總氮濃度由25mg/L降至14mg/L，而在不加廢鐵屑的對(duì)照組中，雖然大部分氨氮能夠通過硝化作用轉(zhuǎn)化為硝酸鹽氮，總氮含量卻未見明顯下降，廢鐵屑的添加主要是促進(jìn)了好氧反硝化，進(jìn)而使得同時(shí)硝化反硝化脫氮得以實(shí)現(xiàn)。投加廢鐵屑的實(shí)驗(yàn)組反應(yīng)器中污泥中總Fe3+濃度為22.9mg/L，遠(yuǎn)高于對(duì)照組的3.2mg/L，而Fe2+濃度則低到可以忽略，因此對(duì)比可推測(cè)廢鐵屑釋放出的Fe3+是同時(shí)硝化反硝化脫氮效率得以提高的重要原因；但若在反應(yīng)器中直接投加等量的Fe3+，其對(duì)同時(shí)硝化反硝化脫氮效率的促進(jìn)作用則不及投加廢鐵屑，因此廢鐵屑在同時(shí)硝化反硝化過程中的具體作用仍需進(jìn)一步研究[44]。

2 鐵對(duì)廢水微生物脫氮的作用機(jī)制

2.1 酶的活性

鐵是微生物生長必需的重要微量元素之一，在脫氮微生物酶的合成過程中起重要作用。在厭氧氨氧化過程中，鐵能夠促進(jìn)厭氧氨氧化菌對(duì)鐵的積累和血紅素c的合成[13,18]，血紅素是厭氧氨氧化菌進(jìn)行聯(lián)氨脫氫酶（HDH）、聯(lián)氨合成酶（HZS）、羥胺氧化還原酶（HAO）和亞硝酸鹽還原酶（NIR）等酶組裝的重要輔因子，參與厭氧氨氧化菌的代謝與增殖，促進(jìn)厭氧氨氧化脫氮[20,45]。Qiao等[13]的研究表明，在厭氧氨氧化系統(tǒng)中，0.12mmol/L Fe(Ⅱ) [Fe(Ⅱ)EDTA]存在時(shí)，催化聯(lián)氨轉(zhuǎn)化為氮?dú)獾穆?lián)氨脫氫酶HDH的活性比0.03mmol/L Fe(Ⅱ)或0.18 mmol/L Fe(Ⅱ)存在時(shí)分別提高了32.6%和73.2%，聯(lián)氨脫氫酶HDH活性的變化與厭氧氨氧化脫氮速率變化趨勢(shì)相一致。因此，適宜濃度Fe(Ⅱ)的添加是對(duì)厭氧氨氧化系統(tǒng)微量元素Fe的補(bǔ)充，能夠提高聯(lián)氨脫氫酶HDH的活性，促進(jìn)厭氧氨氧化脫氮，而Fe(Ⅱ)添加濃度過高時(shí)反而抑制聯(lián)氨脫氫酶HDH的活性，抑制脫氮作用[13,20]。

硝化和反硝化過程中涉及多種生物催化酶，包括氨單加氧酶（AMO）、羥胺氧化還原酶（HAO）及亞硝酸氧化還原酶（NXR）等硝化酶[46,47]，以及硝酸鹽還原酶（NAR）、亞硝酸鹽還原酶（NIR）、一氧化氮還原酶（NOR）和一氧化二氮還原酶（N2OR）等反硝化酶[11,44,48]，鐵是構(gòu)成這些酶的重要金屬元素之一[11,48]。Qian等[47]的研究表明在10～20℃溫度范圍內(nèi)Fe2+的添加對(duì)氨單加氧酶AMO、羥胺氧化還原酶HAO和亞硝酸氧化還原酶NXR這3種酶的活性均有促進(jìn)作用，其中氨單加氧酶AMO的活性增長最顯著，比對(duì)照組提高了約14%～28%。Jia等[27]的研究則表明，適宜濃度（20～40mg/L）的Fe3+對(duì)硝酸鹽還原酶NAR、亞硝酸鹽還原酶NIR和一氧化氮還原酶NOR活性有一定的促進(jìn)作用，其中Fe3+對(duì)一氧化氮還原酶NOR活性的促進(jìn)作用最為顯著，比對(duì)照組一氧化氮還原酶NOR活性高約10%～16%，而60mg/L的過量Fe3+投加則會(huì)形成三價(jià)鐵的氧化物或氫氧化物包覆在反硝化微生物細(xì)胞表面，破壞細(xì)胞結(jié)構(gòu)，抑制反硝化酶的活性，進(jìn)而抑制反硝化脫氮[27]。在同時(shí)硝化反硝化系統(tǒng)中添加廢鐵屑時(shí)，編碼硝酸鹽還原酶的基因NapA和亞硝酸鹽還原酶的基因NirK、NirS的表達(dá)量分別是未添加鐵屑時(shí)的2.24倍、6.87倍和5.45倍，氨單加氧酶AMO、亞硝酸鹽氧化還原酶NXR、硝酸鹽還原酶NAR和亞硝酸鹽還原酶NIR的活性分別提高到無廢鐵屑添加時(shí)的1.23倍、1.53倍、3.60倍和1.55倍，相應(yīng)總氮去除率也比對(duì)照組顯著提高[44]。

磁性納米粒子投加到硝化反硝化脫氮系統(tǒng)的初期，因其對(duì)微生物的急性生物毒性而抑制微生物脫氮；而由于活性污泥的自修復(fù)作用及磁性材料的磁效應(yīng)對(duì)微生物的促進(jìn)作用等，磁性納米粒子長期作用時(shí)將對(duì)微生物脫氮酶的活性及脫氮效果產(chǎn)生一定的促進(jìn)作用[9]。在60mg/L磁性Fe3O4納米粒子長期作用下，序批式活性污泥反應(yīng)器中氨單加氧酶AMO、亞硝酸鹽還原酶NIR活性仍然受到一定程度的抑制，分別比未添加磁性Fe3O4納米粒子時(shí)降低了26%和13%，而亞硝酸鹽氧化還原酶NXR和硝酸鹽還原酶NAR活性則分別比未添加磁性Fe3O4納米粒子時(shí)提高了16%和26%，而相應(yīng)的氨氮去除效果幾乎不受影響，硝酸鹽氮去除率有所提高[25]。另有研究表明50mg/L磁性納米粒子長期作用于序批式活性污泥反應(yīng)器時(shí)，亞硝酸鹽氧化還原酶NXR、硝酸鹽還原酶NAR和亞硝酸鹽還原酶NIR活性分別比未投加磁性納米粒子時(shí)提高了12%、23%和27%，而氨單加氧酶AMO的相對(duì)活性則與對(duì)照組相似[9]。磁性納米粒子的長期作用表現(xiàn)出對(duì)不同硝化或反硝化酶的或促進(jìn)或抑制作用，其中具體的作用機(jī)制有待研究者進(jìn)一步研究。

2.2 電子傳遞

鐵是脫氮微生物細(xì)胞的電子傳遞載體細(xì)胞色素c、細(xì)胞色素bc1復(fù)合體等的活性中心[13,23,44,47]，通過還原態(tài)Fe2+與氧化態(tài)Fe3+之間的氧化還原循環(huán)過程實(shí)現(xiàn)單電子的傳遞[49]，在脫氮微生物電子傳遞系統(tǒng)中具有重要作用。鐵也能夠直接參與微生物脫氮過程中的電子傳遞，促進(jìn)氮的轉(zhuǎn)化或去除。研究者在對(duì)厭氧氨氧化的研究中發(fā)現(xiàn)，微生物能夠利用Fe2+作還原劑或電子供體，將硝酸鹽氮還原為亞硝酸鹽氮[17,45,50]，或利用Fe3+作電子受體，將部分氨氮轉(zhuǎn)化為亞硝酸鹽氮或硝酸鹽氮[17,51]，從而影響厭氧氨氧化的底物濃度。而在厭氧氨氧化與鐵氨氧化、鐵型反硝化耦合同時(shí)去除氨氮和硝酸鹽氮的過程中，相互轉(zhuǎn)化的Fe2+和Fe3+分別起電子供體和電子受體的作用，該過程涉及的氮轉(zhuǎn)化與鐵循環(huán)的化學(xué)式見表3[21]。還原性鐵ZVI可作還原劑，將硝酸鹽還原為氨氮，為厭氧氨氧化提供適宜的底物濃度，同時(shí)去除了硝酸鹽氮[8]。相對(duì)于傳統(tǒng)的反硝化過程，氫自養(yǎng)反硝化和鐵自氧反硝化分別由鐵參與反應(yīng)產(chǎn)生的氫作為電子供體或鐵直接作為電子供體，在鐵自身被氧化的同時(shí)，實(shí)現(xiàn)硝酸鹽的還原與去除[29,32]。鐵作為電子供體或受體，與各微生物脫氮過程之間的作用所涉及的化學(xué)式見表3。

2.3 微生物及微生物群落

鐵是厭氧氨氧化菌生長的重要微量元素，能夠提高厭氧氨氧化菌活性、促進(jìn)厭氧氨氧化菌增殖[17,45]，還原性鐵ZVI可作脫氧劑，消耗掉厭氧氨氧化系統(tǒng)中的溶氧，為厭氧氨氧化菌的增殖提供厭氧環(huán)境[8]，鐵離子（Fe2+、Fe3+）帶正電荷，因此能夠吸附細(xì)胞表面帶負(fù)電荷的厭氧氨氧化菌，形成厭氧氨氧化顆粒，促進(jìn)微生物在反應(yīng)器中的富集[17]。在添加mZVI或nZVI的厭氧氨氧化反應(yīng)器中，厭氧氨氧化菌細(xì)胞的豐度是不添加ZVI的對(duì)照組的近10倍[8]。在厭氧氨氧化生物濾池中，F(xiàn)e2+的添加使厭氧氨氧化菌（Candidatus Kuenenia）的相對(duì)豐度由7.99%提高到11.30%[14]。在厭氧氨氧化與鐵氨氧化、鐵型反硝化耦合的脫氮過程中，F(xiàn)e3+及Fe2+能夠使具有氨氮氧化作用的鐵還原菌假單胞菌（Pseudomonas）、地桿菌（Geobacter）和具有硝酸鹽還原作用的亞鐵氧化菌硫桿菌（Thiobacillus）得以富集，在微生物群落中的相對(duì)豐度高于僅有厭氧氨氧化作用的對(duì)照組，這些微生物相對(duì)豐度的增加與脫氮系統(tǒng)對(duì)氨氮及硝酸鹽氮去除率的增加相一致[21]。

鐵也能夠促進(jìn)硝化或反硝化菌的增殖，顯著影響微生物群落結(jié)構(gòu)。在序批式生物膜反應(yīng)器中ZVI的加入使異養(yǎng)硝化菌產(chǎn)堿桿菌（Alcaligenes）在反應(yīng)器細(xì)菌總數(shù)中的比例由36.5%顯著提高到67.5%[24]。在序批式活性污泥反應(yīng)器中Fe2+的添加能夠提高亞硝化單胞菌（Nitrosomonas）及硝化桿菌（Nitrobacter）等自養(yǎng)硝化菌的相對(duì)豐度與生物量[9,47]。在序批式活性污泥反應(yīng)器中，隨著磁性Fe3O4納米粒子投加濃度由0逐漸增加到60mg/L，微生物的豐度與多樣性也發(fā)生變化，其中陶厄氏菌（Thauera）、叢毛單胞菌（comamonas）及生絲微菌（Hyphomicrobium）等反硝化菌在活性污泥微生物群落中的相對(duì)豐度呈增長趨勢(shì)，這與Fe3O4納米粒子在60mg/L時(shí)對(duì)反硝化的促進(jìn)作用相一致[25]。鐵型反硝化過程中Fe2+能夠富集鐵型反硝化菌嗜酸菌（Acidovorax）和硫桿菌（Thiobacillus）等，從而促進(jìn)脫氮[42]。廢鐵屑的添加使得同時(shí)硝化反硝化脫氮系統(tǒng)中好氧反硝化菌包括陶厄氏菌（Thauera）、嗜熱單胞菌（Thermomonas）、紅桿菌（Rhodobacter）和生絲微菌（Hyphomicrobium）等的總相對(duì)豐度由不含廢鐵屑對(duì)照組中的1.452%增長到3.575%，好氧反硝化菌得以在反應(yīng)器中富集并發(fā)揮反硝化作用，進(jìn)而促進(jìn)同時(shí)硝化反硝化過程的實(shí)現(xiàn)，提高微生物的脫氮效果[44]。

2.4 生物膜、污泥絮體及顆粒的形成

在厭氧氨氧化生物濾池中，F(xiàn)e2+對(duì)厭氧氨氧化菌的活性與增殖等的促進(jìn)作用使得反應(yīng)器中形成的生物膜轉(zhuǎn)變?yōu)榧t色且更加緊實(shí)[14]。鐵離子還能夠通過混凝和絮凝作用改善污泥的沉降性能，促進(jìn)微生物脫氮[27]。Fe2+和Fe3+都是有效的活性污泥絮凝劑，與Fe3+相比，投加Fe2+的污泥中絮體菌絲更緊密，沉降性能更好[53]。鐵對(duì)于脫氮系統(tǒng)污泥顆粒的形成具有重要作用，研究表明在活性污泥脫氮反應(yīng)器中，不同形態(tài)鐵的投加能夠促進(jìn)污泥顆粒的形成，增強(qiáng)污泥顆粒的穩(wěn)定性，主要表現(xiàn)在：①Fe3O4等可作污泥顆粒化的核心[17,54]，鐵離子帶正電荷，中和微生物表面負(fù)電荷，促進(jìn)微生物的聚集[18,54]，同時(shí)作為橋聯(lián)離子，與胞外多糖聚合物形成網(wǎng)絡(luò)，促進(jìn)污泥的顆?；痆55]；②促進(jìn)微生物分泌胞外聚合物（EPS），提高污泥造粒相關(guān)微生物的活性和豐度，加速污泥顆粒化，提高污泥顆粒穩(wěn)定性[9,42,54]；③抑制絲狀突起的生長，防止絲狀細(xì)菌的過度生長導(dǎo)致的顆粒解體，改善污泥顆粒形態(tài)，有利于形成光滑致密的污泥顆粒[17,54]；④在投加鐵的厭氧氨氧化反應(yīng)器的污泥顆粒內(nèi)部，一部分鐵離子被用于合成微生物細(xì)胞結(jié)構(gòu)，從而在污泥顆粒內(nèi)部形成孔洞，這將有利于微生物脫氮產(chǎn)生的氮?dú)饧皶r(shí)從污泥顆粒內(nèi)部排出，避免了污泥顆粒內(nèi)部氣壓達(dá)到臨界點(diǎn)而引起污泥顆粒的崩塌與解體[17]。

綜上所述，研究者針對(duì)鐵對(duì)廢水微生物脫氮的作用機(jī)制進(jìn)行了大量的探索，涵蓋了微生物脫氮的多個(gè)方面（圖2），從微生物電子傳遞、脫氮相關(guān)的酶等合成與活性，到微生物的生長增殖、對(duì)氮的轉(zhuǎn)化及胞外聚合物EPS的分泌等代謝活性，再到微生物群落中物種結(jié)構(gòu)與豐度的變化，最后到微生物反應(yīng)器中的生物膜、絮體或污泥顆粒等的形成及特性。正是鐵對(duì)微生物脫氮過程這些方方面面的作用共同實(shí)現(xiàn)了對(duì)微生物脫氮效果的促進(jìn)作用。然而，上述關(guān)于鐵對(duì)微生物脫氮作用機(jī)制的研究仍然是不夠全面的。從微生物個(gè)體層面來看，關(guān)于鐵的添加對(duì)于酶活性的具體作用機(jī)制的研究還不夠深入[13]，鐵的添加對(duì)不同酶活性的促進(jìn)作用或顯著或不顯著，甚至?xí)a(chǎn)生抑制作用[25,27,47]，這種差異化的影響產(chǎn)生的內(nèi)在因素是什么，尚未得到明確分析，鐵對(duì)編碼相應(yīng)酶的基因表達(dá)的作用與對(duì)酶活性的促進(jìn)作用是否存在確切關(guān)聯(lián)，仍需進(jìn)一步研究。從微生物脫氮系統(tǒng)層面上看，整個(gè)系統(tǒng)包含著復(fù)雜的作用關(guān)系，有微生物與微生物、微生物與氮代謝、微生物與其他污染物的代謝等[17,56]，鐵的加入對(duì)微生物脫氮系統(tǒng)中存在的多種不同作用可能會(huì)產(chǎn)生復(fù)雜的影響，目前尚缺乏相關(guān)的系統(tǒng)化研究。此外，鐵對(duì)微生物脫氮過程的多方面作用中的關(guān)鍵作用是什么，各方面的促進(jìn)作用貢獻(xiàn)程度是多大，如何實(shí)現(xiàn)鐵對(duì)微生物脫氮系統(tǒng)的正向促進(jìn)作用的最大化，這仍然依賴于進(jìn)一步的機(jī)理方面的研究。未來可借助分子生物學(xué)手段，開展基因組、轉(zhuǎn)錄組、蛋白組等研究，揭示鐵在脫氮微生物復(fù)雜生命活動(dòng)中的具體作用，利用同位素示蹤結(jié)合宏基因組、宏轉(zhuǎn)錄組等研究方法，揭示鐵對(duì)微生物脫氮系統(tǒng)的促進(jìn)作用機(jī)制，建立由點(diǎn)到面的網(wǎng)絡(luò)化機(jī)理模型，為利用鐵促進(jìn)微生物脫氮提供更有力的理論支撐和指導(dǎo)。

3 結(jié)語

鐵對(duì)水體微生物脫氮有重要影響。投加適量的、不同化學(xué)形態(tài)的鐵能夠?qū)Χ喾N微生物脫氮過程產(chǎn)生一定的促進(jìn)作用，進(jìn)而提高微生物對(duì)廢水中含氮污染物的去除效果。鐵對(duì)微生物脫氮的促進(jìn)作用產(chǎn)生的內(nèi)在機(jī)制是多方面的。鐵是微生物生長必需的重要微量元素之一，能提高脫氮酶的活性，提高微生物活性，強(qiáng)化微生物脫氮效果。鐵還可用作自養(yǎng)反硝化菌的電子供體，在自身被氧化的同時(shí)實(shí)現(xiàn)硝酸鹽氮、亞硝酸鹽氮的反硝化還原和去除。在厭氧氨氧化過程中微生物能夠利用不同價(jià)態(tài)的鐵離子作為電子受體將氨氮氧化為亞硝酸鹽，或作電子供體將硝酸鹽反硝化為亞硝酸鹽，從而保證充足的厭氧氨氧化底物。微生物作用下的鐵循環(huán)與氮循環(huán)過程的耦合能夠同時(shí)實(shí)現(xiàn)氮的轉(zhuǎn)化與去除和鐵的循環(huán)與再利用。投加到微生物脫氮反應(yīng)體系內(nèi)的鐵的轉(zhuǎn)化產(chǎn)物還可與廢水中其他污染物作用，如能夠與磷酸鹽等形成沉淀，實(shí)現(xiàn)同時(shí)脫氮除磷。鐵還能夠影響脫氮系統(tǒng)的微生物群落，促進(jìn)脫氮微生物的富集，強(qiáng)化微生物脫氮效果。鐵的添加改善了反應(yīng)器性能，促進(jìn)污泥顆粒的形成，提高了污泥顆粒穩(wěn)定性及污泥絮體或污泥顆粒的沉降性能。全面理解鐵對(duì)水體微生物脫氮的促進(jìn)作用及其內(nèi)在作用機(jī)制，有助于通過投加鐵的方式有效強(qiáng)化水體微生物脫氮過程和含氮廢水的治理，促進(jìn)微生物脫氮過程的實(shí)際應(yīng)用。

然而目前文獻(xiàn)中關(guān)于鐵對(duì)微生物脫氮的影響方面的報(bào)道多集中于現(xiàn)象與應(yīng)用效果研究，而關(guān)于鐵對(duì)微生物脫氮的內(nèi)在作用機(jī)制的研究還不夠系統(tǒng)和深入。同時(shí)，對(duì)不同種類的微生物、不同類型的反應(yīng)器，鐵對(duì)水體微生物脫氮過程起促進(jìn)作用的閾值也各異，過量的鐵反而會(huì)對(duì)微生物脫氮過程產(chǎn)生抑制作用；不同形式或價(jià)態(tài)的鐵，如鐵屑、鐵粉、零價(jià)鐵及二價(jià)或三價(jià)的鐵離子，所產(chǎn)生的作用也有所差別，這其中的內(nèi)在原因仍需進(jìn)一步探究。結(jié)合目前已有研究，本文提出了以下幾點(diǎn)未來的研究方向：①系統(tǒng)地研究不同賦存形態(tài)和不同濃度的鐵的添加對(duì)微生物脫氮過程的影響、鐵產(chǎn)生促進(jìn)作用的適宜濃度范圍及鐵對(duì)微生物脫氮過程作用的時(shí)間效應(yīng)，為鐵在廢水微生物脫氮過程中的應(yīng)用提供有價(jià)值的參考；②研究鐵與微生物脫氮系統(tǒng)中的其他環(huán)境因素（金屬離子、有機(jī)/無機(jī)污染物等）可能存在的相互作用及對(duì)微生物脫氮系統(tǒng)的共同作用，更全面地了解鐵對(duì)廢水微生物脫氮的作用方式；③借助同位素示蹤結(jié)合基因組、轉(zhuǎn)錄組、蛋白組等分子生物學(xué)研究方法研究鐵的添加對(duì)微生物脫氮系統(tǒng)的影響，全面深入地揭示鐵對(duì)微生物脫氮的促進(jìn)作用機(jī)理，為應(yīng)用鐵促進(jìn)廢水微生物脫氮提供理論支撐和指導(dǎo)。