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

羥胺/肼對硫自養反硝化的影響：促進部分反硝化及N2O回收的機制與意義  

來源：Chemical Engineering Journal, Volume 477, Article 146943

《化學工程雜志》第477卷，文章編號146943  

 

摘要核心內容  

本研究探究羥胺（NH?OH）和肼（N?H?）對硫自養反硝化（SDAD）過程中氮代謝途徑的影響。結果表明：  

NH?OH（2.0 mg-N/L）顯著促進亞硝酸鹽（NO??）積累（積累率86.2±2.6%），而N?H?對NO??積累影響微弱；  

 

NH?OH通過抑制下游反硝化酶（亞硝酸鹽還原酶NIR和N?O還原酶N?OR）導致N?O在亞硝酸鹽還原階段大量積累（峰值6.8 mg-N/L）；  

 

N?H?（2.0 mg-N/L）選擇性抑制N?OR活性，使N?O在硝酸鹽還原和亞硝酸鹽還原階段積累率分別提升至13.0±0.3%和27.5±1.5%；  

 

酶活性分析揭示NH?OH全面抑制反硝化酶活性，而N?H?主要靶向抑制N?OR。  

 

研究目的  

闡明NH?OH和N?H?對SDAD過程中NO??積累和N?O產生的調控機制；  

 

評估兩種添加劑對反硝化功能酶活性的差異性影響；  

 

探索通過添加劑調控實現高效部分反硝化（PDN）和N?O回收的可行性。  

 

研究思路  

長期培養硫氧化菌（SOB）：在序批式反應器（SBR）中富集SOB（優勢菌為Arenimonas、Thiobacillus等），穩定運行320天（圖1）；  

 

批次實驗設計：  

 

測試不同濃度NH?OH（0.5-2.0 mg-N/L）和N?H?（0.5-2.0 mg-N/L）對SDAD的影響；  

 

監測氮硫轉化動態（NO??、NO??、N?O、S2?、S?等）；  

酶活性分析：測定關鍵反硝化酶（NAR、NIR、NOR、N?OR）活性變化（圖5）；  

 

數據建模與驗證：結合動力學模型解析N?O積累機制。  

 

測量數據及研究意義  

NO??積累規律（圖3, 圖4）  

 

 

數據：NH?OH（2.0 mg-N/L）使NO??積累率提升至89.2±2.6%，而N?H?僅提升7.1±0.5%。  

 

意義：證實NH?OH可作為PDN的有效促進劑，為厭氧氨氧化（Anammox）耦合系統提供穩定亞硝酸鹽來源。  

 

來源：圖3（氮轉化曲線）、圖4A（NO??積累率統計）。  

N?O產生特征（圖3, 圖4）  

 

數據：NH?OH引發N?O在亞硝酸鹽還原階段峰值達6.8 mg-N/L（RN?O(II)=32.9±1.3%）；N?H?則在兩階段均促進N?O積累（RN?O(I)=13.0±0.3%, RN?O(II)=27.5±1.5%）。  

 

意義：揭示N?H?是更高效的N?O誘導劑，為溫室氣體資源化回收提供新策略。  

 

來源：圖3（N?O濃度時序）、圖4B（N?O積累率統計）。  

酶活性響應（圖5）  

 

數據：NH?OH（2.0 mg-N/L）使NIR和N?OR活性降低41.9±2.8%；N?H?（2.0 mg-N/L）特異性抑制N?OR活性（下降27.4±2.4%）。  

 

意義：從酶學層面解釋NH?OH/N?H?對反硝化途徑的差異性調控機制。  

 

來源：圖5（酶活性相對變化熱圖）。  

 

丹麥Unisense電極數據的核心意義  

使用Unisense N?O微電極（型號N?O-500）實現：  

高時空分辨率監測：實時捕捉N?O生成動力學（采樣間隔20秒），精準定位N?O積累峰值（圖3中6.8 mg-N/L瞬時峰）；  

 

過程機制解析：通過N?O累積曲線識別兩個關鍵積累階段（NO??還原期N?O(I)和NO??還原期N?O(II)），揭示NH?OH主要促進后期積累而N?H?同時增強兩階段積累；  

 

抑制效應量化：結合游離亞硝酸（FNA）數據，證實高FNA（>0.8 μg-N/L）與N?OR抑制的因果關系（第4.1節）；  

 

技術應用支撐：為優化N?O回收工藝參數（如添加劑濃度、反應時長）提供直接依據。  

 

結論  

NH?OH的核心作用：通過抑制NIR和N?OR活性，顯著提升NO??積累率（1.8倍）和N?O后期積累量（8.1倍），適用于強化PDN-Anammox耦合工藝；  

 

N?H?的獨特價值：選擇性抑制N?OR，實現N?O高效積累（RN?O(II)提升6.7倍），為N?O資源化回收提供新途徑；  

 

酶活性調控機制：NH?OH全面抑制反硝化酶鏈，N?H?特異性靶向N?OR，二者通過不同路徑阻斷電子傳遞；  

 

工程應用啟示：NH?OH適用于需穩定NO??供給的系統，N?H?可作為N?O回收工藝的誘導劑，但需評估經濟可行性。