Denitrifying communities enriched with mixed nitrogen oxides preferentially reduce N2O under conditions of electron competition in wastewater

在廢水中電子競爭的條件下，富含混合氮氧化物的反硝化群落優先降低 N2O

來源：Chemical Engineering Journal 498 (2024) 155292

 

1. 摘要核心內容

 

本研究通過富集三種反硝化群落（分別以NO??（R1）、N?O（R2）、NO??+N?O（R3）為電子受體），探究電子競爭對N?O還原的影響機制。核心發現包括：

 

電子競爭效應：NO??和NO??的存在顯著抑制N?O還原速率（抑制率最高達58.6%），但混合底物富集的群落（R3）抑制程度更低（18.1-37.7%）（表3）。

 

微生物機制：N?O作為唯一電子受體時富集nosZ II型還原菌（豐度提升2379%），而NO??或混合底物富集nosZ I型菌（圖5）；黃桿菌屬（Flavobacterium） 在R3中豐度提升40倍（圖6C），可緩解電子競爭。

 

 

工藝優化：在連續流反應器中，混合底物富集策略使N?O還原速率達77.7 mg-N/gVSS·h（R2）和56.4 mg-N/gVSS·h（R3），高于單一底物系統（表2）。

 

2. 研究目的

 

解析電子競爭機制：明確NO??、NO??與N?O共存時對反硝化酶電子分配的抑制效應（尤其N?O還原步驟）。

優化群落結構：通過不同電子受體組合富集特異性反硝化菌群，提升N?O還原能力。

開發減排策略：為污水處理廠N?O減排提供微生物調控依據，降低溫室氣體排放。

 

3. 研究思路

 

采用 “群落富集→功能驗證→機制解析” 三步法：

 

群落富集：

三個連續流反應器（R1: NO??；R2: N?O；R3: NO??+N?O）運行77天，分兩階段：無限污泥齡（0-42天）和恒化器模式（42-77天）（圖1）。

 

控制相同電子當量（30 mg-eq EA/L）和碳源（乙酸鈉，200 mg-COD/L）。

功能驗證：

批次實驗測試7種電子受體組合（A-G組），量化NO??、NO??、N?O還原速率（表1，圖3）。

 

 

對比不同富集群落對電子競爭的響應（表2）。

 

機制解析：

qPCR分析反硝化功能基因（narG, nirS, nosZ等）（圖5）。

16S rRNA測序揭示微生物群落結構（圖6）。

 

4. 測量數據及研究意義

(1) 反應器運行性能（圖2）

 

 

數據：COD去除率（73±4.6→158±3.7 mg/L）、VSS濃度（R2最低：0.45 g/L）。

意義：驗證系統穩定性；揭示N?O為唯一電子受體時生物量產量較低（因單步還原能量效率低）。

 

(2) 氮氧化物還原速率（表2, 圖3）

 

數據：

單一底物批次（A-C組）：N?O還原速率最高（77.7 mg-N/gVSS·h，R2）。

多底物批次（D-G組）：NO??/NO??使N?O還原速率下降18.1-58.6%（表3）。

意義：量化電子競爭對N?O還原的抑制強度；證明混合富集群落（R3）抗抑制能力更強。

 

(3) 功能基因豐度（圖5）

 

數據：

R2中nosZ II基因豐度提升2379%（vs 初始污泥）。

R1/R3中nosZ I基因占主導（8.8-10.8%總細菌）。

意義：關聯電子受體類型與N?O還原酶進化分支的選擇性富集。

 

(4) 微生物群落結構（圖6）

 

數據：

R3中黃桿菌屬（Flavobacterium） 豐度達4.3%（vs R1/R2: 0.1-0.5%）。

R2富集弧菌目（Vibrionales） （nosZ II型菌標志）。

意義：揭示Flavobacterium為緩解電子競爭的關鍵功能菌屬。

 

(5) 電子消耗速率（圖4B-C）

 

數據：R3在電子競爭下NOS酶電子消耗速率最高（4.31 mmol e?/gVSS·h）。

意義：證實混合富集群落優化電子分配至N?O還原步驟。

 

5. 核心結論

 

電子競爭普遍性：NO??/NO??存在時，N?O還原速率下降18-59%（表3），因NIR/NOS酶共享細胞色素c550電子池（圖4A）。

混合富集優勢：NO??+N?O富集的群落（R3）N?O還原抑制率最低（18.1%），因：

富集nosZ I型菌（適應多電子受體環境）。

黃桿菌屬豐度提升40倍，協調電子分配。

工藝啟示：污水處理中采用NO??+N?O混合底物富集策略，可增強系統N?O減排能力。

 

6. 丹麥Unisense電極的研究意義

(1) 技術優勢

 

原位監測：實時測量液相N?O濃度（正文2.2），精度達30 mg-N/L（通過5% N?O氣體平衡控制）。

動態捕捉：在批次實驗中連續記錄N?O還原速率瞬態變化（如NO??添加導致的抑制效應）。

抗干擾設計：微電極（10μm直徑）直接插入混合液，避免取樣誤差。

 

(2) 關鍵數據支撐

 

量化還原速率：測得最高N?O還原速率77.7 mg-N/gVSS·h（R2，表2），為理論機制提供實驗驗證。

揭示抑制規律：發現NO??對N?O還原的抑制強度（55.4%）高于NO??（24.7%）（表3），歸因于NIR/NOS的電子競爭。

 

(3) 研究價值

 

機制解析：直接證實電子競爭是N?O積累的主因，推翻“單純酶活性不足”假說。

工藝優化：為基于實時N?O監測的智能控制系統提供數據基礎（如調整缺氧段時長）。

 

圖表索引：

 

圖1：實驗裝置與反應器示意圖

圖2：COD去除率與生物量濃度

圖3：氮氧化物還原速率（批次實驗）

圖4：電子傳遞鏈與消耗速率

圖5：反硝化功能基因豐度

圖6：微生物群落結構（PCoA與屬水平組成）

表1：批次實驗設計

表2：氮氧化物還原速率匯總

表3：N?O還原抑制率

 

應用建議：污水處理廠可在反硝化區投加N?O并聯合NO??富集功能菌群，結合Unisense電極實時監測N?O，優化碳源分配與水力停留時間，實現N?O減排目標。