Characteristics of microbial denitrification under different aeration intensities: Performance, mechanism, and co-occurrence network  

不同曝氣強度下微生物反硝化特性：性能、機制及共現網絡  

來源：Science of the Total Environment, Volume 754, Article 141965, 2021  

《總體環境科學》第754卷，文章編號141965，2021年  

 

摘要內容

 

研究通過調控曝氣強度（0.00、0.25、0.63、1.25 L/(L·min)），探究溶解氧（DO）對混合菌群反硝化性能的影響機制：  

1. 脫氮效率：TN去除率在0.25 L/(L·min)曝氣強度下達峰值1.45 mg/(L·min)，顯著高于純培養體系（圖1-2，表1）。  

 

 

 

2. 代謝機制：適度曝氣（0.25 L/(L·min)）促進NADH積累（速率0.061 ng/(mg Pro·min)）及反硝化功能基因（napA、nirK、nosZ）表達（圖3-4）。  

 

 

3. 微生物互作：曝氣體系以兼性好氧反硝化菌（Azoarcus、Paracoccus等）為主導，通過菌群協同構建脫氮微環境；非曝氣體系依賴Propionivibrio屬內共生（圖5-6）。  

 

 

研究目的

 

1. 揭示DO對混合菌群反硝化效率的調控規律。  

2. 從NADH代謝與功能基因表達角度解析好氧反硝化機制。  

3. 闡明曝氣強度驅動的微生物共現網絡對脫氮性能的影響。  

 

研究思路

 

1. 反應器設計：四組連續曝氣序批式反應器（C/N=4.5），對比不同曝氣強度下脫氮效率（圖1-2）。  

2. 多參數監測：  

   ? 脫氮動力學：TN、COD、NO??、NO??實時濃度（圖2）。  

 

   ? 代謝活性：NADH含量（ELISA法，圖3）、功能基因表達量（qPCR，圖4）。  

 

   ? 微生物群落：16S rRNA高通量測序（門/屬水平組成，圖5）、共現網絡分析（SparCC，圖6）。  

 

3. 機制關聯：結合氮平衡分析、電子通量計算，解析DO對碳氮代謝路徑的調控作用。  

 

測量數據及研究意義

 

1. TN去除率（圖2，表1）：  

   ? 數據：R1(0.93) < R2(1.45) > R3(0.86) > R4(0.53) mg/(L·min)。  

 

   ? 意義：證實0.25 L/(L·min)為最優曝氣強度，顛覆“厭氧條件最優”傳統認知，為工程優化提供依據。  

 

2. NADH積累（圖3）：  

   ? 數據：R2的NADH積累速率（0.061 ng/(mg Pro·min)）顯著高于R3(0.016)、R4(0.013)。  

 

   ? 意義：適度DO促進電子供體（NADH）生成，支持好氧反硝化酶系高效運作。  

 

3. 功能基因表達（圖4）：  

   ? 數據：napA、nirK、nosZ在R2的相對表達量最高（較R1提升1.8-2.3倍）。  

 

   ? 意義：從分子水平揭示DO通過調控反硝化酶基因表達影響脫氮效率。  

 

4. 微生物網絡（圖6）：  

   ? 數據：R2中Azoarcus與Pseudomonas正相關（r>0.8），形成協同脫氮核心菌群。  

 

   ? 意義：曝氣驅動菌群從屬內共生（R1-Propionivibrio）轉向屬間互作（R2-跨界協作），提升系統穩定性。  

 

結論

 

1. 曝氣強度閾值：0.25 L/(L·min)實現最高TN去除率（1.45 mg/(L·min)），NADH積累與功能基因表達達峰值。  

2. 代謝路徑轉換：高DO（>0.63 L/(L·min)）促進硝酸鹽同化（占TN去除43.8%），但抑制異化反硝化。  

3. 菌群協作機制：  

   ? 曝氣體系：好氧反硝化菌（如Paracoccus）與異養菌（如Tepidisphaera）通過代謝互作構建脫氮微環境。  

 

   ? 非曝氣體系：Propionivibrio屬內共生主導，效率低于曝氣最優組。  

 

4. 工程啟示：混合菌群好氧反硝化可通過調控DO優化菌群結構，提升污水處理脫氮效能。  

 

丹麥Unisense電極測量數據的研究意義

 

Unisense微電極（型號N?O-50/NO-50）用于實時監測反硝化過程氣體釋放：  

1. 高分辨率監測：  

   ? 電極以10秒間隔連續記錄N?O/NO濃度（2.2節），捕捉瞬態中間產物釋放（如NO??峰值24 mg/L，圖2d）。  

 

   ? 意義：揭示好氧反硝化過程N?O排放量低（nosZ基因高表達抑制N?O積累，圖4），為低碳脫氮工藝提供依據。  

 

2. 過程機制驗證：  

   ? 結合DO與NADH數據（圖3），證實適度DO減少電子競爭，促進NO??→N?完全還原。  

 

   ? 意義：量化電子通量分配（O? vs. NO??），闡明好氧反硝化低N?O排放的生化機制。  

 

3. 工藝優化支撐：  

   ? 電極數據關聯群落分析（圖5-6），證明曝氣驅動菌群向低N?O排放菌（如Pseudomonas）富集。  

 

   ? 意義：為優化曝氣策略以減少溫室氣體排放提供原位監測手段。  

 

科學價值：Unisense電極以秒級分辨率捕捉氣體代謝動態，將宏觀脫氮性能（如TN去除率）與微觀代謝機制（電子傳遞、基因表達）定量關聯，推動好氧反硝化從菌株篩選邁向群落工程應用。