The role of hydroxylamine in promoting conversion from complete nitrification to partial nitrification: NO toxicity inhibition and its characteristics

羥胺在促進全程硝化向短程硝化轉化中的作用：一氧化氮的毒性抑制及其特性

來源：Bioresource Technology, Volume 319, 2021, 124230

《生物資源技術》，第319卷，2021年，文章編號124230

 

摘要

摘要指出，本研究探討了在序批式反應器（SBR）中通過添加羥胺（NH?OH）促進從全程硝化向短程硝化轉化的策略。結果表明，連續16天向一個已完成全程硝化的反應器中投加5 mg-N/L的NH?OH，可使亞硝酸鹽積累率（NAR）從0.22%提高到95.08%，并顯著增加了液相中一氧化氮（NO）和氧化亞氮（N?O）的積累。停止投加NH?OH后，短程硝化在21天內逐漸消失。微生物群落分析表明，Nitrospira是主要的亞硝酸鹽氧化菌（NOB），其相對豐度隨著NH?OH的投加而降低，并在停止投加后恢復。因此，NH?OH對Nitrospira具有顯著且可逆的抑制作用，其本質可能與NO的毒性有關。

 

研究目的

探究通過添加羥胺（NH?OH）來快速實現從全程硝化向短程硝化轉化的可行性，并深入研究其內在機制，特別是NH?OH抑制亞硝酸鹽氧化菌（NOB）的機理，以及在此過程中NO和N?O的產生情況。

 

研究思路

首先，在一個穩定運行于全程硝化狀態的SBR反應器中，開始連續投加固定濃度的羥胺（NH?OH）。然后，監測投加期間以及停止投加后反應器的運行性能，包括氮素轉化（氨氮、亞硝酸鹽氮、硝酸鹽氮濃度）、氣體副產物（NO和N?O）的濃度變化以及微生物群落結構的演變。最后，通過分析這些數據，揭示NH?OH實現短程硝化的作用機制。

 

測量的數據

1.  反應器進出水及過程中的氨氮（NH??-N）、亞硝酸鹽氮（NO??-N）、硝酸鹽氮（NO??-N）濃度，用于計算亞硝酸鹽積累率（NAR）。

2.  反應器液相中一氧化氮（NO）和氧化亞氮（N?O）的濃度變化。

3.  反應過程中的氧化還原電位（ORP）變化。

4.  反應器內微生物群落結構的變化，特別是氨氧化菌（AOB，如Nitrosomonas）和亞硝酸鹽氧化菌（NOB，如Nitrospira和Nitrobacter）的相對豐度。

 

測量數據的研究意義

1.  NH??-N、NO??-N、NO??-N濃度和NAR（來自圖2）：這些數據直接反映了反應器的硝化性能，是評判短程硝化是否成功實現以及其穩定性的核心指標。NAR的升高表明NOB被成功抑制。

 

2.  NO和N?O濃度（來自圖3）：這些數據對于揭示NH?OH的作用機制至關重要。它們的產生和變化趨勢為證明NH?OH代謝產生了NO，以及NO可能對NOB（特別是Nitrospira）產生毒性抑制提供了直接證據。同時，也評估了該策略可能帶來的環境風險（N?O是強溫室氣體）。

 

3.  ORP變化（來自圖3）：ORP的急劇下降與NH?OH的投加和消耗過程相關聯，可以作為NH?OH在反應器中存在和轉化的一個間接指示參數。

4.  微生物群落數據（來自圖5）：這些數據從微生物學角度解釋了現象背后的原因。它證實了NH?OH對優勢NOB（Nitrospira）的可逆抑制效應，并將宏觀的工藝性能變化與微觀的種群動態聯系起來，強化了結論的可靠性。

 

 

結論

1.  向已完成全程硝化的SBR中連續投加5 mg-N/L的羥胺（NH?OH），可以在16天內成功啟動短程硝化，使亞硝酸鹽積累率（NAR）達到95%以上。

2.  NH?OH的投加會導致反應器內產生大量的NO和N?O，并且NO的最大濃度隨著短程硝化的進行（亞硝酸鹽濃度升高）而增加。

3.  NH?OH對亞硝酸鹽氧化菌（NOB）的抑制作用是可逆的。一旦停止投加，NOB（本研究中為Nitrospira）的活性會恢復，導致短程硝化進程逐漸消失。

4.  NH?OH抑制NOB的本質原因可能與其代謝過程中產生的中間產物一氧化氮（NO）的毒性有關，NO對具有高亞硝酸鹽親和力的Nitrospira產生了強烈的抑制。

 

使用丹麥unisense電極測量數據的研究意義：

使用丹麥Unisense微電極系統在線監測液相中的NO和N?O濃度，在本研究中具有至關重要的研究意義，主要體現在以下幾個方面：

1.  高時空分辨率揭示了動態過程：該電極能夠實時、在線、高頻率地測量NO和N?O的濃度變化，捕捉到投加NH?OH后短期內出現的濃度峰值（圖3b, c, d）。這種瞬時變化的捕捉是傳統離線采樣方法難以實現的，它清晰地展示了NH?OH投加后立即引發的生物化學反應動態過程。

2.  提供了直接的機制證據：測量數據直接證實了NH?OH的投加會導致NO和N?O的顯著產生。NO的峰值出現早于N?O，并且隨后下降，這符合已知的硝化菌代謝途徑：NH?OH通過羥胺氧化還原酶（HAO）被氧化生成NO，NO隨后可被進一步還原為N?O。這為“NH?OH抑制NOB與其代謝產生NO有關”的假設提供了最直接的、實驗性的證據。

3.  建立了濃度與抑制效應的關聯：數據顯示，隨著投加天數的增加和短程硝化的成熟（亞硝酸鹽積累），每個周期內產生的NO峰值濃度逐漸升高（從0.17 mg/L升至0.23 mg/L）。這表明反應器內NO的暴露水平在不斷加劇，這與NOB受到的抑制程度加深（NAR升高）和微生物群落中Nitrospira豐度的下降在時間上和趨勢上高度吻合，強有力地支持了NO毒性是抑制關鍵因素的結論。

4.  評估了工藝的環境影響：N?O是一種強效溫室氣體。通過精確測量其濃度，本研究評估了采用羥胺投加策略可能帶來的負面環境效應，為全面評價該技術的可行性提供了重要數據。

總之，Unisense電極獲得的NO/N?O數據是連接“NH?OH投加”這一操作與“NOB被抑制”這一現象之間的關鍵橋梁，使研究者能夠從機理層面而不僅僅是現象層面解釋短程硝化成功的原因，極大地提升了研究的深度和說服力。