Enrichment of a denitratating microbial community through kinetic limitation

通過動力學限制富集反硝化微生物群落

來源：Environment International 161 (2022) 107113

 

摘要核心內容

 

本研究通過調控污泥停留時間（SRT）實現動力學限制，成功富集了以反硝化菌（denitratating bacteria）為主的微生物群落，實現了硝酸鹽（NO??）選擇性還原為亞硝酸鹽（NO??）的過程（即反硝化）。核心發現包括：

 

最佳SRT條件：SRT=3.0天時，亞硝酸鹽積累率（NAR）最高（65±14%），微生物群落以Thauera為主（80%豐度），且亞硝酸鹽還原酶基因（nirS/nirK）表達最低（圖4）。

 

 

動力學限制機制：短SRT（1.5天）導致NO??積累（NRR=60±10%），長SRT（15.0天）促進完全反硝化（N?O積累達1.5 mg/L）；SRT=3.0天時，反硝化速率（sDNaR=135.3 mg-N/g-VSS/h）最高而亞硝酸鹽還原速率（sDNiR=14.9 mg-N/g-VSS/h）最低（表1）。

 

溫室氣體排放：長SRT下溶解N?O積累顯著（圖2），證實SRT通過調控微生物代謝途徑（而非僅傳質）影響N?O產生。

 

 

研究目的

 

量化動力學限制的影響：探究SRT對NO??積累（反硝化）的調控作用。

 

解析微生物群落響應：揭示不同SRT下反硝化功能菌群的演替規律。

 

優化工藝參數：確定實現高效反硝化的最佳SRT及微生物群落結構。

 

研究思路與技術路線

 

采用 “中試SBR反應器+控制變量法”：

 

實驗設計：

 

3組SBR反應器，SRT分別設為1.5天、3.0天、15.0天。

 

固定進水COD:NO??-N=3:1（甘油為碳源），HRT=1天。

 

運行74天，監測水質、微生物群落及基因表達。

 

分析方法：

 

水質指標：NO??、NO??、N?O（Unisense電極實時監測溶解態N?O）。

 

微生物群落：16S rRNA測序（圖3）、qPCR定量nirS/nirK基因（圖4）。

 

動力學參數：比硝酸鹽還原速率（sDNaR）、比亞硝酸鹽還原速率（sDNiR）（表1）。

 

關鍵數據及研究意義

1. 氮轉化性能（圖1）

 

數據：

 

SRT=3.0天時，NAR（亞硝酸鹽積累率）最高（62±13%），NRR（硝酸鹽去除率）達96±3%。

 

SRT=1.5天時NO??積累顯著（NRR=60±10%）；SRT=15.0天時N?O積累升高（圖2）。

 

意義：證實SRT是調控反硝化效率的關鍵參數，短SRT（3.0天）優化了NO??積累。

 

2. 微生物群落結構（圖3）

 

數據：

 

SRT=3.0天時Thauera相對豐度達80%（vs. 1.5天29%，15.0天23%）。

 

長SRT（15.0天）富集完全反硝化菌（如Saccharibacteria）。

 

意義：Thauera作為反硝化功能菌，其富集是高效NO??積累的微生物學基礎。

 

3. 功能基因表達（圖4）

 

數據：

 

SRT=3.0天時nirS/nirK轉錄量最低（較其他SRT低1-2個數量級）。

 

nirS型反硝化菌占主導（轉錄量＞nirK）。

 

意義：低亞硝酸鹽還原酶表達是NO??積累的直接分子證據。

 

4. 動力學參數（表1）

 

數據：

 

SRT=3.0天時sDNaR最高（135.3 mg-N/g-VSS/h），sDNiR最低（14.9 mg-N/g-VSS/h）。

 

短SRT（1.5天）觀測產率（Y）最高（0.63 mg-COD/mg-COD）。

 

意義：sDNaR/sDNiR比值是量化反硝化能力的直接指標。

 

核心結論

 

最佳SRT：SRT=3.0天可實現高效反硝化（NAR=62±13%），富集Thauera（80%豐度）并抑制nirS/nirK表達。

 

微生物機制：短SRT（1.5天）富集截短反硝化菌（如Flavobacterium），長SRT（15.0天）富集完全反硝化菌，均不利于NO??積累。

 

N?O排放：長SRT下溶解N?O積累顯著（1.5 mg/L），源于完全反硝化菌的代謝活性（圖2）。

 

Unisense電極數據的專項解讀

技術原理與實驗設計

 

Unisense N?O微電極：

 

測量原理：電化學傳感，實時監測溶解態N?O濃度（μg-N/L）。

 

安裝位點：SBR反應器內，連續監測缺氧反應期溶解N?O動態（圖2）。

 

校準方法：預極化后，以N?飽和（零點）和N?O飽和（量程）溶液校準。

 

關鍵發現與機制解析

 

SRT對N?O動態的影響（圖2）：

 

SRT=1.5天：COD投加后溶解N?O瞬時升高（<0.2 mg/L），隨后快速還原，表明截短反硝化菌的瞬時代謝。

 

SRT=15.0天：持續N?O積累（峰值1.5 mg/L），反映完全反硝化菌的活躍亞硝酸鹽還原。

 

代謝途徑關聯：

 

短SRT下N?O能被有效還原（圖2a），證實低SRT富集菌群具有強N?O還原能力。

 

長SRT下N?O積累與高sDNiR（表1）耦合，揭示完全反硝化菌的代謝瓶頸。

 

研究意義

 

工藝優化：Unisense數據直接驗證SRT=3.0天可實現低N?O排放（<0.2 mg/L），為低碳脫氮提供依據。

 

機制深化：溶解N?O動態揭示了SRT通過調控微生物代謝途徑（而非僅傳質）影響N?O產生。

 

技術優勢：高分辨率實時監測為反硝化過程的代謝通量解析提供了不可替代的工具。

 

總結：本研究通過Unisense電極首次捕捉到反硝化過程中溶解N?O的瞬態變化，證實SRT=3.0天可同步優化NO??積累與N?O減排，為耦合反硝化-厭氧氨氧化工藝的設計提供了理論和技術支撐。