硫化鉄が自己栄養性脱窒を媒介する。硝酸塩汚染の緩和と持続可能な廃水処理のためのバイオプロセスの開発

Iron sulphides mediated autotrophic denitrification: An emerging bioprocess for nitrate pollution mitigation and sustainable wastewater treatment.

• Yuansheng Hu
• Guangxue Wu
• Ruihua Li
• Liwen Xiao
• Xinmin Zhan

抄録

硫化鉄は、主にマッキナサイト（FeS）、パイライト（FeS、x=0-0.125）、パイライト（FeS）の形で存在し、最も豊富な硫化鉱物であり、無酸素状態と周性pH条件の下で化学的自己栄養性脱窒細菌によって酸化され、硝酸塩を窒素に還元することができる。硫化鉄を媒介とする自己栄養性脱窒（ISAD）は、硝酸塩汚染の重要な自然減衰プロセスであり、様々な無酸素環境下で窒素、硫黄、鉄のサイクルをつなぐ重要な役割を果たしている。最近では、高い脱窒能力、窒素とリンの同時除去、自己緩衝性、副生成物（硫酸塩、廃棄物汚泥、NO、NHなど）の発生が少ないなどの利点があることから、様々な有機物汚染水や廃水からの栄養塩除去のための有望なバイオプロセスとして浮上してきている。本論文では、ISADの理論的知識（生化学、微生物多様性）、自然発生、工学的応用など、ISADの基礎的側面と工学的側面を批判的に概観する。また、硫化鉄の利用可能性,低脱窒率,硫酸塩の排出,重金属の溶出などの主要な影響因子をまとめることで、その可能性と限界を明らかにした。また、本レビューでは、無酸素硫化鉄の酸化のメカニズム、すなわち硫化鉄の溶解と脱窒剤のための直接基質の2つの重要な問題を提起した。最後に、将来の持続可能な廃水処理のためのその展望が強調されている。次世代の廃水処理に向けた硫化鉄ベースのバイオテクノロジー（NEO-GREEN）が提案されており、廃水中のバイオエネルギーを潜在的に利用し、資源（PとFe）の回収を取り入れ、栄養成分と新興汚染物質の同時除去を達成し、廃水汚泥の生成を最小限に抑えることができる。

Iron sulphides, mainly in the form of mackinawite (FeS), pyrrhotite (FeS, x = 0-0.125) and pyrite (FeS), are the most abundant sulphide minerals and can be oxidized under anoxic and circumneutral pH conditions by chemoautotrophic denitrifying bacteria to reduce nitrate to N. Iron sulphides mediated autotrophic denitrification (ISAD) represents an important natural attenuation process of nitrate pollution and plays a pivotal role in linking nitrogen, sulphur and iron cycles in a variety of anoxic environments. Recently, it has emerged as a promising bioprocess for nutrient removal from various organic-deficient water and wastewater, due to its specific advantages including high denitrification capacity, simultaneous nitrogen and phosphorus removal, self-buffering properties, and fewer by-products generation (sulphate, waste sludge, NO, NH, etc.). This paper provides a critical overview of fundamental and engineering aspects of ISAD, including the theoretical knowledge (biochemistry, and microbial diversity), its natural occurrence and engineering applications. Its potential and limitations are elucidated by summarizing the key influencing factors including availability of iron sulphides, low denitrification rates, sulphate emission and leaching heavy metals. This review also put forward two key questions in the mechanism of anoxic iron sulphides oxidation, i.e. dissolution of iron sulphides and direct substrates for denitrifiers. Finally, its prospects for future sustainable wastewater treatment are highlighted. An iron sulphides-based biotechnology towards next-generation wastewater treatment (NEO-GREEN) is proposed, which can potentially harness bioenergy in wastewater, incorporate resources (P and Fe) recovery, achieve simultaneous nutrient and emerging contaminants removal, and minimize waste sludge production.

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