Indigenous mixotrophic aerobic denitrifiers stimulated by oxygen micro/nanobubble-loaded microporous biochar  

氧微/納米氣泡負載微孔生物炭刺激本土混合營養型好氧反硝化菌  

來源：Bioresource Technology，391 (2024) 129997

《生物資源技術》，第391卷，2024年，文章編號：129997

 

摘要內容：  

研究開發了一種新型氧微/納米氣泡（MNB）負載微孔生物炭（OMB），用于激活水體沉積物中的本土好氧反硝化菌以強化脫氮。通過真空壓力擺動吸附法將O? MNBs負載于微孔生物炭（平均孔徑1.9 nm），形成OMB材料。薄層OMB覆蓋沉積物-水界面（SWI）后，溶解氧（DO）滲透深度從<4.0 mm增至38.4 mm（30天），總氮（TN）去除率達60%。高通量測序表明OMB顯著刺激了混合營養型好氧反硝化菌群落（總豐度38.1%），包括自養反硝化菌（Hydrogenophaga、Thiobacillus）、異養反硝化菌（Limnobacter、unclassified_f_Methylophilaceae）及異養硝化-好氧反硝化菌（HNADB，如Shinella、Acidovorax）。網絡分析顯示OMB增強了微生物協作關系，并促進硝化（amoCAB、hao）與反硝化（narGHI、nirS、nosZ）功能基因表達。  

 

研究目的：  

解決富營養化水體沉積物缺氧抑制好氧反硝化菌活性的問題，通過OMB材料實現SWI持續增氧，激活本土微生物脫氮功能。  

 

研究思路：  

材料制備：采用真空壓力擺動吸附法將O? MNBs負載于微孔生物炭（圖1c），通過孔隙特性（圖1a）和疏水性增強氣泡穩定性。  

 

微宇宙實驗：設置對照組（無覆蓋）、MB組（微孔生物炭覆蓋）、OMB組（氧微泡生物炭覆蓋），監測30天內上覆水DO、氮素動態（圖2）及沉積物剖面DO/N?O分布（圖3）。  

 

 

微生物響應：分析沉積物微生物群落結構（圖4）、網絡互作（圖5）及功能基因（圖6），明確OMB對好氧反硝化菌的激活機制。  

 

 

 

測量數據及研究意義（標注來源圖/表）：  

DO滲透深度（圖3a）：OMB使沉積物DO滲透深度從<4.0 mm增至38.4 mm，證實其高效增氧能力，為好氧反硝化創造微環境。  

 

氮素去除（圖2b,e）：TN和NH??-N去除率分別達60%和91%（OMB組），顯著高于MB組（39%/62%），證明生物轉化主導脫氮。  

 

微生物群落（圖4c）：OMB刺激好氧反硝化菌總豐度達38.1%（對照組僅1.2%），關鍵菌屬Hydrogenophaga（自養，8.3%）、Shinella（HNADB，2.2%）豐度顯著提升。  

 

功能基因（圖6c）：OMB組硝化基因（amoCAB、hao）和反硝化基因（narGHI、nosZ）表達量提升，證實協同硝化-反硝化途徑強化。  

 

N?O分布（圖3b）：OMB組沉積物N?O積累最低，反映好氧反硝化減少溫室氣體排放。  

 

Unisense電極數據的核心研究意義：  

量化缺氧緩解效果：通過微電極直接測量沉積物剖面DO梯度（圖3a），證實OMB將氧滲透深度擴展近10倍（<4.0 mm→38.4 mm），為微生物提供好氧反硝化所需微環境。  

 

揭示反硝化路徑：N?O微剖面監測（圖3b）顯示OMB組積累最低，結合DO數據關聯證明好氧反硝化途徑（低N?O產率）主導脫氮，規避傳統厭氧反硝化的溫室氣體風險。  

 

指導過程優化：實時DO/N?O聯測為材料增氧效率提供原位驗證，支撐"O?過飽和→刺激好氧菌→高效脫氮"的機制解析。  

 

結論：  

OMB通過微孔結構穩定負載O? MNBs，實現SWI持續增氧（DO滲透深度38.4 mm），徹底改變沉積物缺氧狀態。  

 

OMB激活本土混合營養型好氧反硝化菌群落（總豐度38.1%），自養（Hydrogenophaga）與異養（Shinella）菌協同實現高效脫氮（TN去除率60%）。  

 

微生物網絡分析顯示OMB增強菌群協作，功能基因表達證實硝化-反硝化耦合途徑，為富營養化水體原位修復提供新技術。