一 研究背景
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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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9 s# Y+ i( m$ z0 l2 `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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二 研究目的) @* a/ M; z( w7 G0 p
$ x- \5 \/ \: J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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4 \/ n0 Z' p- V8 Z; b; A三 材料方法9 Y9 I; l. o+ k
0 Y J( S% Q/ U: _2 G9 U# ~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。
) }) l$ m/ m* A7 Y4 o( ^* A; |. {
3 M3 V5 z9 ~; V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。3 a/ f9 t0 A/ N! V5 F
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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。
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5 N1 `* e/ Q! p+ M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。$ w$ X% O, X+ r; q/ k
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四 结果与讨论
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1. Mno2对厌氧氨氧化反应的作用/ z' s# L0 N: T9 A
g) W5 I f9 w5 n) Y1 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。$ \ Y- i7 R. _% @1 g1 U3 ^# v
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表1 反应器在每个阶段的氮去除性能和化学计量比率
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4 T$ ^* Q; P, b% l; k2.Mno2对厌氧氨氧化反应中生物颗粒特征的影响
) U) a6 c" k4 M( W$ W. X$ ?9 T; n" _+ q6 {: K. p
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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0 s( {9 j- w$ p. b. F
0 B$ q3 ?, {, F+ \- Q# b: \ a
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。! v7 `. B4 a) G. G$ P
& c) W! i# Z0 P& ^! g. E9 X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。4 F( Q/ O* _: E
, A) R) C8 c2 O, I6 @& M1 y! F
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% {- t1 u. ?9 @2 g* ? b# \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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j1 }+ k' J" U. b8 E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）。
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, u& a7 l2 ?: K" 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。
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PN：蛋白质，PS：多糖。
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0 l3 Z/ s! Z! S; f( X; q/ i7 R% k3. 微生物群落组成和多样性
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. g8 [8 Q) A5 R) R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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6 }) D2 K: A6 u, V( ?表2 反应器中污泥样品的细菌多样性指数。6 O. C; W. o3 W p9 Y7 p! o
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8 {) N: C, \/ `& A0 }; m3 f+ W7 Q+ V( }% W, A4 R8 j% q
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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' R; S% I8 N4 y6 g5 L6 n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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# F" o9 f. q+ m8 E9 I9 N: a
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+ J Q% W, } @! }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。% W0 e. |. k3 r$ K: g& w9 u \
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（B）表示从属类划分。- l7 K+ |* ^) U; `# N
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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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- A# g- X$ V o& Y& R五 结论& _) S* ]* j, |6 z' Z3 t* R9 t6 E
; J. `1 R% C# _. x0 S8 I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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文章题目：Roles of Mno2 on performance, sludge characteristics and microbial community in anammox system3 T( i$ D, F8 `0 Z4 @+ P
发表杂志：Science of the Total Environment
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