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周礼杰团队在期刊《Chemical Engineering Journal》(影响因子13.2,中科院JCR 1区,TOP期刊)上发表了题为《Revealing mechanism of Fe2+ supplementation on the bacterial community and its functional genes during simultaneous reductions of selenate and nitrate in a hydrogen-based membrane biofilm reactor》的研究论文。该团队周礼杰副教授为论文第一作者兼共同通讯作者,深圳大学为第一作者单位及共同通讯单位。
氢基膜生物膜反应器(H2-MBfR)以氢气作为清洁电子供体,具有“无有机残留、低污泥产量、可还原多种氧化态污染物”等优势,但其协同还原性能对体系中痕量元素与生物膜电子传递过程高度敏感,尤其在硒酸盐(SeO42-)与硝酸盐(NO3-)共存时,如何通过营养条件实现稳定高效的同步还原仍缺乏机制阐释。本研究构建实验室尺度H2-MBfR,在进水 NO3-为 5 mg N/L、SeO42-为0.5 mg Se/L 条件下,采用分阶段Fe2+投加策略(0.2→1→5 mg/L,随后降回 0.2 mg/L)系统评估其调控效应。结果表明,随着Fe2+浓度由 0.2 mg/L 提高至 5 mg/L,SeO₄²⁻的还原效率由86%显著提升至接近100%,而NO3-去除率始终保持在95%以上;当Fe2+恢复至0.2 mg/L 后,SeO42-去除下降至约60%,验证了Fe2+对Se(VI)还原强化具有可逆性与决定性贡献。宏基因组分析显示,高Fe2+显著重塑群落结构:携带反硝化与 Se(VI) 还原关键基因的Dechloromonas富集并成为优势菌属(相对丰度达25.8%),同时Acidovorax与Azonexus等自养反硝化菌随Fe2+升高而增加;在功能基因层面,Fe2+投加促进与NO3-还原及Se(VI)还原相关的关键酶基因上调/富集,尤其是SerABC与Mo-transporter gene的增强与NO3-去除提升高度一致。机制上,Fe2+通过支撑Fe-S簇与血红素等金属辅因子形成、强化呼吸链与界面电子传递/缓冲能力,从而“收紧”H2相—生物膜—终端电子受体之间的耦合,提高电子向 SerABC 等还原模块的有效分配,最终实现NO3-与SeO42-的协同高效同步还原。本研究从“性能—群落—功能基因—机制”多层面揭示了Fe2+ 补充强化H2-MBfR协同去除含氧阴离子污染物的内在规律,为地下水等低碳生物修复工艺的营养调控与过程优化提供了理论依据。

原文链接://doi.org/10.1016/j.cej.2025.172011