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通讯作者：苏俊峰 教授
通讯单位：西安建筑科技大学
https://doi.org/10.1016/j.biortech.2024.131695• FA使NO3--N和Ca2+的去除效率分别提高了约30%和10%。
• FA可将反硝化过程中NO2--N积累量降至0 mg/L。
• FA的加入提高了污染物的去除率。
• FA刺激了菌株生长，增强了电子传递。
• 污染物可能通过生物沉淀和吸附作用被去除。
微污染水体具有性质复杂、浓度低、污染物数量大等特点。污染物的多样性已成为刻不容缓的环境问题。生物法因其成本低、环境友好等优点，被普遍认为是处理水污染的有效方法。然而，各种生物反应需要较高的活化能且微污染水体通常具有有机碳源不足的问题，导致污染物的去除有限，提高污染物的去除率已受到广泛关注。富里酸（FA）由丰富的酚基、羟基、羧基、醌基等多种官能团组成，参与细菌的生化反应，已有研究表明FA可以促进反硝化过程的进行。微生物诱导钙沉淀（MICP）是一种利用微生物进行修复的创新技术，由于MICP在环境处理中的高潜力和有效性，许多研究人员对其进行了广泛的研究。然而，关于FA是否能促进MICP介导的微污染水体脱氮和污染物去除的研究仍然缺乏。基于此，本研究利用外源FA和具有反硝化能力的兼性厌氧MICP菌株Cupriavidus sp. W12研究了FA对微污染水体中MICP介导的氮和污染物去除的促进作用。结果表明，添加20 mg/L的富里酸后，硝酸盐（NO3--N）、Cu2+、CBZ和Ca2+的去除率分别达到100.0%、98.7%、96.6%和73.6%，亚硝酸盐（NO2--N）没有积累。FA刺激了菌株W12的生长，提高了电子传递活性，促进了气态氮的转化。此外，FA增强微生物活性，使生物沉淀物的结构更加致密多孔。Cu2+和CBZ通过共沉淀和吸附被去除。 图文摘要
随着FA浓度的增加，NO3--N的去除能力不断提高。当FA浓度为20 mg/L时，NO3--N的去除率达到100.0%，与对照组相比有了大幅提高。在添加了FA的实验组中，NO3--N的浓度在12 h后达到峰值，但在30 h内被完全去除。此外，菌株W12的生物矿化能力也因添加FA而增强，添加FA可提高反应环境中的EPS含量，提供更多的成核位点，促进钙沉淀的形成。同时，反硝化过程提高了系统的碱度，随着碱度的增加，CaCO3达到饱和，从而促进了Ca2+的去除。研究表明，FA的加入提高了ETSA和OD600值，刺激菌株W12的生长，提高反硝化酶的催化活性和电子传递活性，具有一定的潜在碳源作用，同时还可以促进气态氮的转化。 图1 不同FA添加量下NO3--N浓度的拟合曲线（ExpDec1模型）（a）、Ca2+浓度和去除率（b）、NO2--N浓度（c）、ETSA（g）和OD600（h）。菌株W12在0 h（d）和30 h不添加（e）及添加20 mg/LFA（f）时的氮平衡饼图。
添加FA后，菌株W12对污染物的去除率也有所提高。当仅添加1 mg/L的Cu2+时，Cu2+的去除率从93.4%上升到98.7%。只添加1 mg/L CBZ时，CBZ的去除率从82.1%上升到96.6%。同时添加1 mg/L CBZ和1 mg/L Cu2+时，Cu2+和CBZ的去除率分别上升了7.7%和9.7%。先前的研究表明，FA可以通过吸附和共沉淀有效去除废水中的Cu2+。CBZ的去除可能是由于产生了更多的EPS和生物沉淀物进行吸附。图2 不同污染物条件下NO3--N浓度的拟合曲线（ExpDec1模型）（a和b）、NO2--N浓度（c和d）、Ca2+浓度和去除率（e和f）以及污染物浓度和去除率（g和h）。
实验表明，暴露于不同浓度FA组的五个区域的FRI强度均高于未暴露于FA组的FRI强度。这表明添加FA提高了微生物的代谢能力，刺激了EPS、黄腐酸酸类似物和腐殖酸类似物的产生。与添加不同污染物的3D-EEM相比，单独添加1 mg/L Cu2+或1 mg/L CBZ时，SMP值比不添加污染物时降低，这表明添加污染物对微生物活性有抑制作用，且Cu2+的抑制作用比CBZ更强。与单一污染物相比，同时添加1 mg/L Cu2+和CBZ时，SMP更低，说明混合污染物对氧化还原活性和微生物的负面影响更为明显。污染物的加入刺激了EPS的产生，EPS是微生物为抵抗不利的环境压力而分泌的，EPS还能吸附污染物。 图3 不同FA浓度在0 h（a）、12 h（b）、30 h（c）以及添加不同污染物12 h（d和g）、24 h（e和h）、48 h（f和i）时的3D-EEM光谱。
利用SEM-EDS对菌株W12在不同条件下的生物沉淀进行表征。未添加FA和污染物时产生了较大块的钙沉淀，表层具有丰富的三维蜂窝状结构，生物沉淀物周围可见细菌的附着和包埋。添加FA后，生物沉淀物的表面形貌变化不明显，但生物沉淀物的结构更加致密，整体呈现更多孔的状态。以往的研究表明，多孔骨架由于其高比表面积而导致高表面张力，可以支持更多的生物晶种附着，因此可以推测这是钙沉淀效率提高的原因之一。此外，骨架提供了丰富的吸附位点，这是生物沉淀吸附能力的重要条件。共同添加FA、Cu2+和CBZ后，表面形貌发生了变化，表明Cu2+和CBZ影响了MICP中生物沉淀的结构。除了上述的密实的蜂窝状和多孔结构外，还观察到了小颗粒物质。推测小颗粒状物质为MICP过程中产生的含铜物质的金属沉淀。这一假设得到了EDS分析的支持，结果表明Cu2+可以通过MICP途径去除。值得注意的是，FA加入后，大量表面光滑的物质散落在沉淀表面，这种光滑的物质被认为是细菌细胞及其产生的EPS，其作用可能是吸附Cu2+与无机盐共析出形成的金属沉淀和CBZ。图4 最佳条件（C/N=2.5，pH=7，Ca2+浓度=80 mg/L）（a和b），添加20 mg/L FA（c和d），添加1.0 mg/L Cu2+，1.0 mg/L CBZ和20 mg/L FA（e和f）的SEM图像。综上所述，本研究考察了FA在微污染环境中增强生物矿化菌株W12的反硝化作用和去除复合污染物的作用。结果表明，添加FA能显著提高反应效率，同时不会造成NO2--N的积累。各种结果表明，FA可以刺激菌株W12的生长，提高电子传递活性，促进气态氮的转化。Cu2+和CBZ可通过共沉淀和生物沉淀物吸附去除。作为FA促进MICP去除复杂污染物的首次报道，本文为微污染水体中NO3--N、Cu2+、CBZ和Ca2+的修复提供了理论基础。
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侯晨曦，硕士，西安建筑科技大学环境与市政工程学院。研究方向为微生物诱导钙沉淀在微污染水体中生物脱氮的特性研究。
联系邮箱：houchenxi@xauat.edu.cn![]()
苏俊峰，西安建筑科技大学教授，博士生导师，陕西省杰出青年基金获得者，国际先进材料协会会士，中国城市环境卫生协会污泥处理处置专业委员会委员，入选“全球顶尖前10万科学家”，“全球前2%顶尖科学家”。主要从事地下水铁锰反硝化、生物诱导钙沉淀同步脱氮除氟、低碳源污水的深度处理及资源化等方面的研究；主持国家自然科学基金面上项目、国家重点研发项目子课题、陕西省杰出青年基金项目、陕西省重点研发项目等国家级及省部级项目12项。以第一作者或通讯作者在中科院SCI一区期刊发表论文80多篇，ESI高被引论文8篇，授权发明专利15项。获陕西省科学技术进步一等奖1项，陕西省科学技术进步三等奖2项。
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