Exposure of sulfur-driven autotrophic denitrification to hydroxylamine/ hydrazine: Underlying mechanisms and implications for romoting partial denitrification and N2O recovery

硫驅動自養反硝化對羥胺/肼的暴露：促進部分 反硝化及一氧化二氮恢復的潛在機制與意義

來源：Chemical Engineering Journal 477 (2023) 146943

 

1. 摘要核心內容

 

論文探究了羥胺（NH?OH）和肼（N?H?）對硫驅動自養反硝化（SDAD）過程中氮代謝途徑的影響。研究發現：

 

NH?OH 顯著促進 NO??積累（最高達 86.2±2.6%），并通過與游離亞硝酸（FNA）的協同作用大幅提升 N?O積累（最高 32.9±1.3%）。

N?H? 在 NO??和NO??還原階段 均能促進 N?O積累（最高 27.5±1.5%），但對NO??積累影響微弱。

酶活性分析表明：NH?OH抑制所有反硝化酶（下游酶更敏感），N?H?特異性抑制N?O還原酶（N?OR）。

應用價值：為SDAD耦合厭氧氨氧化（Anammox）提供NO??供應策略，并為N?O回收技術提供新思路。

 

2. 研究目的

 

闡明 NH?OH/N?H? 對SDAD過程中氮代謝途徑（尤其 NO??和N?O積累）的影響機制。

評估兩種物質在 促進部分反硝化（NO??積累） 和 N?O回收 中的應用潛力。

 

3. 研究思路

 

污泥培養：

使用序批式反應器（SBR）富集硫氧化菌（SOB），穩定運行320天（圖1）。

 

微生物群落以 Proteobacteria 為主（61.3%），含典型SOB（如 Arenimonas, Thiobacillus）（圖1C-D）。

批次實驗：

對照組：無NH?OH/N?H?添加，明確常規SDAD路徑（圖2）。

 

暴露組：添加不同濃度 NH?OH（0-2.0 mg-N/L）或 N?H?（0-2.0 mg-N/L），監測氮/硫轉化（圖3）。

 

酶活性分析：

測定 NAR（NO??還原酶）、NIR（NO??還原酶）、NOR（NO還原酶）、N?OR（N?O還原酶） 活性（圖5）。

 

 

機制與應用關聯：

結合 中間產物積累 和 酶活性變化，解析調控機制，提出工程應用方向。

 

4. 測量數據及意義

關鍵數據來源與意義

測量參數 數據來源 研究意義

NO??積累率（RNO??） 圖4A NH?OH 使RNO??從49.1%升至86.2%，為SDAD-Anammox耦合提供穩定NO??源。

N?O積累率（RN?O） 圖4A-B NH?OH+FNA 使RN?O(II)達 32.9%；N?H? 使RN?O(I/II)達 13.0%/27.5%，支持N?O回收。

酶活性變化          圖5   NH?OH抑制所有酶（NIR/N?OR最敏感）；N?H?特異性抑制N?OR，解釋N?O積累機制。

N?O實時濃度 Unisense電極（2.3節） 捕捉 瞬態N?O峰值（圖3），揭示 兩階段積累規律（Phase I/II）。

 

 

Unisense電極數據的核心意義

 

技術優勢：

使用 Unisense N?O/NO微傳感器 實時監測液相 N?O和NO濃度（2.3節），分辨率達 0.15 mg-N/L以下（圖2A, 圖3）。

解決了傳統離線采樣 無法捕捉瞬時氣體變化 的瓶頸（如N?O在Phase I/II的瞬態峰值）。

關鍵發現：

揭示 N?O積累分兩階段：Phase I（NO??還原期）和Phase II（NO??還原期）（圖2A, 圖3）。

Phase II的N?O積累更高（圖3C,F），因 FNA抑制N?OR（4.1節）。

N?H?在Phase I即促進N?O積累（圖3D-F），證明其 獨立于FNA的調控機制。

應用價值：

為 N?O回收工藝 提供實時監測手段，優化反應器設計（如控制停留時間捕獲N?O峰值）。

 

5. 結論

 

NH?OH的核心作用：

促進 NO??積累（RNO??↑1.8倍），助力 SDAD-Anammox耦合。

聯合 FNA 大幅提升 N?O積累（RN?O(II)↑8.1倍）。

N?H?的核心作用：

特異性抑制 N?OR，在 NO??/NO??還原階段 均促進 N?O積累（RN?O(I)↑2.0倍，RN?O(II)↑6.7倍）。

機制解析：

NH?OH 全面抑制反硝化酶（下游酶更敏感）；N?H? 選擇性抑制N?OR（圖5）。

應用導向：

NH?OH 可優化SDAD-Anammox系統的 NO??供應；

N?H? 為 高效N?O回收 提供新策略（如耦合FNA調控）。