Evidence for Nitrous Oxide Emissions by Nitrite-Dependent Anaerobic Methane Oxidizing Bacteria

依賴亞硝酸鹽的厭氧甲烷氧化細菌排放一氧化二氮的證據

來源：Environ. Sci. Technol. 2023, 57, 16862?16872

 

摘要核心內容

 

本研究首次證實亞硝酸鹽依賴型厭氧甲烷氧化（n-DAMO）細菌可直接產生氧化亞氮（N?O）。通過富集培養實驗（n-DAMO細菌占比60%）發現：

 

N?O與甲烷氧化的耦合：N?O產量隨初始亞硝酸鹽濃度升高而增加（40 mg NO??-N/L時N?O峰值達1.74 mg/L，圖1e）。

 

持續暴露效應：當亞硝酸鹽濃度維持在5 mg N/L時，12.5%的亞硝酸鹽被轉化為N?O（圖2）。

 

 

基因證據：宏轉錄組分析顯示n-DAMO細菌的亞硝酸還原酶（nirS）和一氧化氮還原酶（norZ）基因表達顯著上調（表1），且無其他菌群顯著表達nor基因。

 

 

工程驗證：在35天生物反應器運行中，亞硝酸鹽過量時N?O積累量可達脫氮量的3.2%（圖4b）。

 

 

核心結論：過量亞硝酸鹽是驅動n-DAMO細菌產生N?O的關鍵因素，需在廢水處理中嚴格控制亞硝酸鹽水平以減排溫室氣體。

 

研究目的

 

驗證n-DAMO細菌的N?O生產能力：挑戰傳統認知（n-DAMO細菌僅產生N?）。

 

揭示機制：探究亞硝酸鹽暴露下N?O形成的分子路徑。

 

評估實際風險：量化生物反應器長期運行中的N?O排放。

 

提出減排策略：基于機制研究優化廢水處理工藝。

 

研究思路與技術路線

 

采用 富集培養→機制解析→工程驗證 的三步策略：

 

培養體系構建：

 

從混合污泥富集n-DAMO細菌（Candidatus Methylomirabilis oxyfera為主），建立膜上流式反應器（MUFR）。

 

機制解析實驗：

 

批次實驗：測試不同初始亞硝酸鹽濃度（5–40 mg N/L）對N?O產量的影響（圖1）。

 

連續暴露實驗：維持5 mg N/L亞硝酸鹽濃度，監測N?O持續生成（圖2）。

 

多組學分析：宏基因組/轉錄組解析Ca. M. oxyfera的氮代謝基因表達（圖3，表1）。

 

 

 

工程驗證：

 

35天MUFR運行模擬廢水處理，動態調控亞硝酸鹽負荷（57.3→114.6 mg N/L·d），監測N?O排放（圖4）。

 

關鍵數據及研究意義

1. 亞硝酸鹽濃度與N?O產量的劑量效應（圖1）

 

數據：

 

初始亞硝酸鹽濃度從5 mg N/L升至40 mg N/L時，N?O峰值由0.09 mg/L增至1.74 mg/L（圖1e）。

 

閾值現象：亞硝酸鹽濃度＜3 mg N/L時N?O停止積累（圖1a-d）。

 

意義：首次量化n-DAMO細菌的N?O產生閾值，為工藝控制提供臨界值依據。

 

2. 持續亞硝酸鹽暴露的N?O積累（圖2）

 

數據：

 

維持5 mg N/L亞硝酸鹽濃度540分鐘，N?O線性積累至1.5 mg/L，轉化率達12.5%（圖2）。

 

norZ基因表達上調2.3倍（表1），證實n-DAMO細菌主導N?O生成。

 

意義：揭示長期亞硝酸鹽暴露導致持續N?O排放的風險。

 

3. 生物反應器中的N?O排放（圖4b）

 

數據：

 

亞硝酸鹽負荷＞86 mg N/L·d時，出水N?O濃度達10.1 mg/L，占脫氮量的3.2%（圖4b）。

 

負荷降至86 mg N/L·d后，N?O停止積累（圖4b）。

 

意義：驗證實際工藝中亞硝酸鹽波動是N?O排放的主因，支撐"精準控氮"減排策略。

 

4. 基因表達調控證據（表1）

 

數據：

 

nirS（亞硝酸還原酶）表達量增至19,083 TPM（對照9,878 TPM）。

 

norZ（一氧化氮還原酶）表達上調2.3倍，直接關聯N?O合成。

 

意義：從分子水平證實n-DAMO細菌通過NorZ途徑產生N?O，顛覆"僅產N?"的傳統認知。

 

核心結論

 

n-DAMO細菌是直接N?O生產者：通過NorZ途徑將NO還原為N?O，且缺乏NosZ基因無法進一步還原。

 

亞硝酸鹽是關鍵觸發因子：濃度＞3 mg N/L時激活NorZ，導致N?O積累。

 

工程風險與機遇：廢水處理中亞硝酸鹽波動可致N?O排放（高達脫氮量3.2%），但嚴格控制亞硝酸鹽濃度（＜3 mg N/L）可實現近零排放。

 

Unisense電極數據的專項解讀

技術原理與部署

 

型號與功能：丹麥Unisense N?O微電極（檢測限0.1 μM），以20秒/次高頻監測液相N?O動態（Methods 2.2節）。

 

部署場景：

 

批次反應器實時捕捉N?O生成曲線（圖1a-d）。

 

連續流反應器同步監測N?O與氮素轉化（圖4b）。

 

關鍵發現與機制解析

 

瞬態響應捕捉（圖1a-d）：

 

電極數據顯示：亞硝酸鹽投加后5分鐘內N?O濃度驟升，證實n-DAMO細菌對底物的快速響應能力。

 

閾值驗證：當亞硝酸鹽降至3 mg N/L時，N?O立即衰減（圖1a箭頭），明確臨界控制點。

 

持續暴露的線性積累（圖2）：

 

電極記錄N?O以恒定速率（3.9 mg N/L·d）累積540分鐘，揭示亞硝酸鹽持續存在時n-DAMO細菌的穩定產N?O能力。

 

工藝波動關聯（圖4b）：

 

電極捕捉到亞硝酸鹽負荷提升至114.6 mg N/L·d時，N?O濃度24小時內從0升至10.1 mg/L，凸顯工藝調控對減排的重要性。

 

研究意義

 

方法學突破：

 

Unisense電極實現 秒級分辨率（20秒/次）的N?O原位監測，克服傳統離線分析的滯后性，精準量化瞬態過程（如閾值效應）。

 

機制深度解析：

 

高分辨率數據揭示"亞硝酸鹽濃度→norZ表達→N?O積累"的因果鏈條，為分子機制提供時間維度證據。

 

工程指導價值：

 

實時數據證明將亞硝酸鹽濃度控制在＜3 mg N/L可使N?O排放歸零（圖4b階段IV），為廢水處理廠提供可操作的減排參數。

 

理論與應用價值

 

修正全球氮循環模型：n-DAMO細菌可作為淡水生態系統的潛在N?O源，需納入溫室氣體預算模型。

 

廢水處理工藝優化：

 

推薦工藝：耦合厭氧氨氧化（anammox）提升亞硝酸鹽去除效率，避免殘留（見4.4節）。

 

控制策略：實時監測亞硝酸鹽濃度并動態調控負荷，確保濃度＜3 mg N/L。

 

電極技術推廣：Unisense微電極適用于生物膜/復雜混合菌群體系，為界面反應研究提供工具支持。

 

總結：本研究通過Unisense電極量化n-DAMO細菌的N?O排放規律，揭示亞硝酸鹽驅動的分子機制，為廢水處理工藝的溫室氣體減排提供理論依據與技術支持。