Denitrification kinetics indicates nitrous oxide uptake is unaffected by electron competition in Accumulibacter

反硝化動力學表明一氧化二氮的攝取不受 Accumulibacter 中電子競爭的影響

來源：Water Research 189 (2021) 116557

 

一、摘要概述

 

本研究聚焦于 反硝化除磷（DPR）工藝中N?O排放機制，通過對比兩種關鍵微生物——聚磷菌（Candidatus Accumulibacter）和競爭性糖原菌（Candidatus Competibacter）的脫氮動力學，揭示：

 

核心發現：在低游離亞硝酸（FNA < 0.2 μg HNO?-N/L）條件下，Accumulibacter能完全還原N?O至N?，且電子競爭不影響其N?O還原能力（圖3-4）。

 

 

 

關鍵差異：Competibacter僅能將硝酸鹽（NO??）還原至亞硝酸鹽（NO??），導致NO??積累（圖3c）。

 

技術亮點：結合代謝模型驗證，首次證明DPR系統中Accumulibacter主導的群落可顯著降低N?O排放風險（圖6）。

 

 

二、研究目的

 

機制解析：探究Accumulibacter與Competibacter在多種電子受體（NO??/NO??/N?O）下的脫氮路徑完整性（引言）。

 

電子競爭驗證：評估電子競爭是否導致N?O積累（方法2.2）。

 

模型預測：開發四步反硝化代謝模型，預測N?O動態（方法2.4）。

 

三、研究思路

 

采用 富集培養+批式試驗+模型驗證 三重策略：

1. 微生物富集

 

反應器設計：3組SBR反應器分別富集：

 

Accumulibacter（以NO??為電子受體）

 

Accumulibacter（以NO??為電子受體）

 

Competibacter（以NO??為電子受體）

 

控制條件：pH=8.0±0.1（避免FNA抑制），30°C，嚴格缺氧（方法2.1）。

 

2. 七組批式試驗（表1）

 

單電子受體：A（N?O）、B（NO??）、C（NO??）

 

多電子受體組合：D（NO??+NO??）、E（NO??+N?O）、F（NO??+N?O）、G（NO??+NO??+N?O）

 

監測指標：

 

氮氧化物：NO??、NO??、N?O（Unisense電極實時監測溶解態N?O）

 

碳源：胞內PHA（聚羥基烷酸酯）

 

磷代謝：PO?3?攝取速率

 

3. 代謝模型開發

 

擴展Liu等（2015）模型，納入四步反硝化路徑（NO??→NO??→NO→N?O→N?）。

 

校準關鍵參數：多聚磷酸鹽儲存速率（q??）、缺氧生長速率（μ<sub>DPAO1-4</sub>）。

 

四、關鍵數據及研究意義

1. 脫氮動力學差異（圖3）

 

數據來源：七組批式試驗的氮氧化物還原速率（n>3）。

 

結果：

 

Accumulibacter：N?O還原速率達7.3–10.6 mg N/gVSS/h（試驗A），無N?O積累。

 

Competibacter：NO??還原速率5.03 mg N/gVSS/h，但NO??還原能力弱（試驗B-C）。

 

意義：證實Accumulibacter具備完整反硝化路徑，而Competibacter路徑截斷（僅至NO??）。

 

2. 電子分配模式（圖4）

 

數據來源：電子受體組合試驗（D-G）的電子消耗速率計算。

 

結果：

 

Accumulibacter總電子消耗速率（2.47 mmol e?/gVSS/h）顯著高于Competibacter。

 

無電子競爭：多電子受體共存時，N?O還原酶（Nos）仍獲充足電子（試驗E-G）。

 

意義：推翻“上游反硝化酶優先搶占電子”的假設，證明Nos活性不受競爭抑制。

 

3. 磷攝取關聯（圖5）

 

數據來源：磷攝取量與電子消耗量比值（mmol P/mmol e?）。

 

結果：

 

NO??為電子受體時，Accumulibacter磷攝取/電子消耗比最高（0.11 mmol P/mmol e?）。

 

N?O還原過程伴隨顯著磷攝取（試驗A,F）。

 

意義：揭示反硝化除磷的能量分配規律，優化DPR工藝設計。

 

4. 模型驗證（圖6）

 

數據來源：模型預測 vs. 實測氮氧化物濃度（R2=0.96–0.97）。

 

結果：模型精準預測N?O零積累趨勢（如試驗G）。

 

意義：為低N?O排放的DPR工藝提供量化設計工具。

 

五、結論

 

微生物功能差異：

 

Accumulibacter具備完整反硝化路徑（至N?），N?O還原能力強勁。

 

Competibacter僅還原NO??至NO??，是潛在的NO??積累源。

 

環境因子關鍵性：FNA濃度<0.2 μg/L時，Nos酶活性不受抑制，避免N?O積累。

 

工藝啟示：富集Accumulibacter的DPR系統可實現同步高效脫氮除磷與N?O減排。

 

六、丹麥Unisense電極數據的深度解讀

1. 技術原理與部署

 

原位監測：N?O微傳感器（N2O-R型）浸沒于批式反應器液相，實時檢測溶解態N?O（分辨率0.01 μM）（方法2.2）。

 

校準方法：100% N?O飽和水標定，消除氣相擴散誤差。

 

數據頻率：每秒采集電流信號，經皮安計轉換為N?O濃度。

 

2. 關鍵發現與意義

 

N?O動態捕捉（圖3, 6）：

 

Accumulibacter在試驗A中N?O還原速率達峰值（10.6 mg N/gVSS/h），全程無積累。

 

Competibacter在試驗C中N?O還原速率可忽略（<0.5 mg N/gVSS/h）。

 

意義：直接驗證Accumulibacter的N?O消納能力，推翻“PHA代謝必然產N?O”的舊認知。

 

抑制閾值量化：

 

當FNA>1.5 μg/L時，文獻報道Nos酶抑制（Zhou et al. 2008）；

 

本研究維持FNA<0.2 μg/L（pH=8.0），證實低FNA是Nos活性的關鍵保障。

 

意義：為污水廠調控pH/FNA以降低N?O排放提供精準閾值。

 

多受體競爭驗證：

 

試驗E（NO??+N?O）中，Accumulibacter對N?O的還原速率不受NO??影響（圖3a）。

 

意義：證明電子競爭不制約N?O還原，支持DPR工藝中多電子受體共存可行性。

 

3. 行業貢獻

 

方法革新：首例將Unisense電極應用于DPR微生物的秒級N?O動力學解析。

 

機制顛覆：揭示低FNA下Accumulibacter的完全反硝化能力，挑戰“DPR必然高N?O”的認知。

 

應用導向：為優化DPR工藝參數（pH/電子受體配比）提供實時監測工具。

 

總結

 

本研究通過Unisense電極證實：在低FNA（<0.2 μg/L）條件下，Accumulibacter可高效還原N?O且不受電子競爭抑制。該發現為設計“低碳足跡DPR工藝”提供理論依據，Unisense電極的秒級監測能力則為污水廠N?O預警系統開發奠定技術基礎。建議在實際DPR系統中維持pH>7.5并富集Accumulibacter，以實現脫氮除磷與N?O減排的雙重目標。