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西安建筑科技大学苏俊峰团队STOTEN：微生物驱动Fe-N循环——内在机制、增强和前景

时间：2023-11-18 来源：浏览：

西安建筑科技大学苏俊峰团队STOTEN：微生物驱动Fe-N循环——内在机制、增强和前景

原创苏俊峰团队环境人Environmentor

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第一作者： 刘严博士，胥亮博士

通讯作者： 苏俊峰教授

通讯单位 ：西安建筑科技大学环境与市政工程学院

图片摘要

成果简介

近日，西安建筑科技大学环境与市政工程学院苏俊峰教授团队在生态环境领域著名学术期刊 Science of the Total Environment 上发表了题为“ Microbially driven Fe-N cycle: Intrinsic mechanisms, enhancement, and perspectives ”的综述性论文 (DOI ： 10.1016/j.scitotenv.2023.168084) 。文章综述了 Fe-N 循环在微生物脱氮过程中的应用，内在微生物机制和增强 Fe-N 循环的策略。文章首先对微生物驱动的 Fe-N 循环在生物脱氮过程中的应用和内在机理进行了综述和讨论。具体而言，讨论了微生物驱动的 Fe-N 循环在厌氧氨氧化 (Anammox) 、硝化和反硝化、厌氧铁铵氧化 (Feammox) 等过程中的应用，以及从酶活性、电子传递、微生物胞外聚合物 (EPS) 与微生物群落互作等四个方面阐述了微生物驱动 Fe-N 循环的内在机理。此外，文章基于以上四方面的机理提出了增强生物脱氮的方法。

引言

Fe 和 N 广泛存在于自然界中。近年来关于耦合 Fe 和 N 循环促进生物脱氮的研究越来越受到关注。在生态系统的物质循环中，二者常常互相作为电子受体和电子供体，形成一个可持续的、由生物和非生物共同调控的 Fe-N 耦合的生物地球化学循环过程。对于微生物而言， Fe 是一系列细胞色素和酶的组分，也是氧化还原酶的辅基，参与微生物的代谢过程。此外，微量的 Fe 可以调节氮代谢相关酶的活性，刺激细胞内、外和种间电子转移，促进微生物胞外聚合物物质 (EPS) 分泌等。最后， Fe 可以促进微生物富集，极大地影响微生物群落结构，并改善微生物群落相互作用。通过以上方式， Fe 可以在增强微生物代谢活性的同时实现对 N 元素可持续地利用和生物转化。当前，有大量文献表明 Fe-N 循环发生在厌氧氨氧化 (Anammox) 、硝化和反硝化、厌氧铁铵氧化 (Feammox) 等过程中。因此，外源添加 Fe ，构建 Fe-N 耦合循环，可能是提高生物脱氮效率的有效途径。

图文导读

微生物驱动的 Fe-N 循环过程

图 1 ：微生物驱动 Fe-N 循环示意图

微生物驱动的 Fe-N 耦合循环经常发生在 Anammox 、硝化、反硝化， Feammox 等过程中。环境中的 N 循环主要由同化、氨化、硝化、反硝化、 Anammox 和固氮等过程组成。在生态系统的物质循环中， Fe 和 N 常常互相作为电子受体和电子供体。

铁调节酶活性

图 2 ： Fe(II) 对 N 代谢相关功能基因的调控及机制

在生物脱氮过程中， Fe 不仅作为细胞内金属蛋白酶或某种功能性酶的辅酶因子参与微生物的代谢过程，也可以通过上调关键基因的表达来调节功能性酶的活性，进而提高脱氮效率。

电子行为：产生、传输和消耗

图 3 ： 含铁矿物与微生物之间的电子转移机制。 S. oneidensis MR-1 将电子转移至外膜蛋白的途径 (a) ， G. sulurreducens 将电子转移至外膜蛋白的途径 (b) ， PILA 纳米线的示意图，其由 ATP 驱动，穿过内膜和外膜 (c) ，菌毛促进 OmcS 纳米线分泌的新模型 (d)

微生物驱动 Fe-N 循环脱氮的本质是电子的产生、传输和利用。 Fe 是微生物细胞的电子传递载体细胞色素 c 、细胞色素 bc1 复合体等酶的活性中心，可以作为生物脱氮过程中的电子供体或电子受体，直接参与电子传递，也可以通过 Fe(II) 和 Fe(III) 之间的氧化还原循环实现单电子转移。

Feammox 是一种新发现的由 Fe(III) 还原驱动的厌氧氨氧化工艺。有关 Feammox 的生化机制研究尚少，但已有大量研究解释了微生物还原含铁 Fe(III) 矿物的电子传递机制。含铁矿物作为电子受体与微生物之间的电子转移机制如图 3 所示。

铁与微生物胞外聚合物 EPS 的相互作用

图 4 ： Fe 增强微生物聚集以调节 EPS 分泌

细胞 EPS 的分泌代表了细菌代谢活性的变化。位于微生物表面的 EPS 可以通过静电作用、高分子缠结、氢键和范德华力与细胞相互作用，使微生物形成生物膜或污泥颗粒，也可以通过吸附作用对生物脱氮除磷、有机物及重金属离子的去除产生积极影响。外源 Fe 的加入可以调节细菌产生更多的 EPS ，进而促进生物膜、污泥絮体及颗粒的形成。此外， EPS 可以通过吸附作用和促进电子传递来影响含铁矿物与微生物之间的相互作用。

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小结

微生物驱动的 Fe-N 循环不仅对 Fe 和 N 元素的地球化学循环有着重要的作用，而且对促进微生物脱氮过程的实际应用具有指导意义。从微观角度看， Fe 可以被微生物当作“商品”直接利用。例如， Fe 可以被细菌吸收，用作细胞内金属蛋白酶的辅助因子或作为功能酶，或作为增强微生物反硝化相关酶的活性和 EPS 的分泌的“兴奋剂”，或用作电子供体或受体。从宏观角度看， Fe 可以通过促进微生物增殖和富集来影响微生物群落的物种丰度和多样性，从而提高脱氮效果。当前，有大量文献对 Fe-N 循环的微生物机制和应用进行了研究，本文总结了该方向的研究前沿问题及挑战。具体而言， Fe-N 循环各机理的贡献程度以及 Fe 对微生物反硝化体系的促进作用最大化的研究不够系统和深入，因此有必要加强定量化研究微生物机制中各机理的贡献程度，为明确外源 Fe 的加入促进微生物脱氮的可行性提供数据支撑。此外，在含铁矿物强化微生物脱氮的过程中，可能会遇到固态电子供体效率低和在长期操作过程中对微生物存在潜在毒性的挑战。因此，有必要对微生物反应器结构进行优化，以获得较高的传质速率。最后，未来可以通过分子生物技术深入研究 Fe-N 循环体系下的微生物机理，建立由宏观到具体的网络化机理模型，为利用 Fe 促进生物脱氮提供更有力的理论支撑和指导。

本项目得到了国家自然科学基金和陕西省杰出青年基金的资助。

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作者简介

通讯作者：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。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 70 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 1 项。

通讯邮箱 ：

第一作者：刘严 。女，博士研究生，就读于西安建筑科技大学环境与市政工程学院。导师为苏俊峰教授。研究方向为水环境修复与水质改善技术。

联系邮箱 ： lyly@xauat.edu.cn

第一作者： 胥亮。男，博士研究生，就读于西安建筑科技大学环境与市政工程学院。研究方向为微生物铁锰氧化还原循环在复合污染物去除过程的作用机制分析。共发表 SCI 论文 25 篇 , 其中以第一作者在中科院区 top 期刊 Water Research ， Journal of Hazardous Materials, Bioresource Technology 发表论文 5 篇， 2 篇入选 ESI 高被引论文。曾获博士研究生国家奖学金。

联系邮箱： xuliang@xauat.edu.cn

投稿：西安建筑科技大学环境与市政工程学院苏俊峰教授团队。投稿、合作、转载、进群，请添加小编微信Environmentor2020！环境人Environmentor是环境领域 最大的学术公号 ，拥有 15W+活跃读者 。由于微信修改了推送规则，请大家将环境人Environmentor加为星标，或每次看完后点击页面下端的 “赏” ，这样可以第一时间收到我们每日的推文！环境人Environmentor现有综合群、期刊投稿群、基金申请群、留学申请群、各研究领域群等共20余个，欢迎大家加小编微信Environmentor2020，我们会尽快拉您进入对应的群。