The link between nitrous oxide emissions, microbial community profile and function from three full-scale WWTPs  

三個(gè)全規(guī)模污水處理廠中氧化亞氮排放、微生物群落譜和功能之間的聯(lián)系  

來源：Science of the Total Environment, Volume 651, 2019, Pages 2460-2472

《整體環(huán)境科學(xué)》，第651卷，2019年，頁碼2460-2472

 

摘要  

摘要指出，研究調(diào)查了在三個(gè)全規(guī)模污水處理廠（WWTPs）中，氧化亞氮（N2O）排放與微生物群落結(jié)構(gòu)和功能之間的聯(lián)系。使用高通量測(cè)序和逆轉(zhuǎn)錄qPCR（RT-qPCR）分析了活性污泥樣本，并鏈接了N2O排放和廢水特性。N2O排放范圍從7.2到937.0 g N-N2O/天，排放因子為進(jìn)水NH4-N的0.001%到0.280%。排放與Nitrotoga、Candidatus Microthrix和Rhodobacter等菌屬的豐度相關(guān)，這些菌屬在較高溶解氧（DO）和硝酸鹽（NO3-）濃度下更活躍。nirK基因表達(dá)與N2O排放相關(guān)。N2O排放峰值與曝氣轉(zhuǎn)換期相關(guān)，優(yōu)化曝氣制度可減少排放。研究還強(qiáng)調(diào)了評(píng)估nosZ clade II基因表達(dá)的重要性，因?yàn)槠涓哓S度可能與低N2O排放相關(guān)。

 

研究目的  

研究目的是鏈接N2O排放與微生物群落結(jié)構(gòu)和功能，以解釋影響N2O排放的因素，并開發(fā)緩解策略，減少污水處理過程中的溫室氣體排放。

 

研究思路  

研究思路包括在三個(gè)WWTPs（采用生物氮去除BNR、增強(qiáng)生物磷去除EBPR和常規(guī)活性污泥CAS配置）進(jìn)行兩個(gè)季節(jié)（夏季和冬季）的監(jiān)測(cè)。使用在線N2O微傳感器（丹麥Unisense電極）連續(xù)測(cè)量氣體和液體N2O通量，采集樣本進(jìn)行微生物群落分析（16S rDNA測(cè)序）和功能基因表達(dá)（RT-qPCR檢測(cè)narG、nirS、nirK、nosZI和nosZII基因）。通過主成分分析（PCA）關(guān)聯(lián)N2O排放、微生物數(shù)據(jù)和水質(zhì)參數(shù)，以識(shí)別關(guān)鍵驅(qū)動(dòng)因素。

 

測(cè)量的數(shù)據(jù)及研究意義  

1 N2O排放通量和溶解N2O濃度數(shù)據(jù)：來自圖2和表3，顯示排放動(dòng)態(tài)和季節(jié)變化，例如夏季和冬季的排放峰值。研究意義是量化N2O排放率，識(shí)別峰值事件（如曝氣轉(zhuǎn)換期），并評(píng)估排放因子，為優(yōu)化操作提供基礎(chǔ)。  

 

 

2 微生物群落組成數(shù)據(jù)：來自圖5和圖7，顯示門水平（如Proteobacteria和Bacteroidetes）和屬水平（如Nitrotoga、Candidatus Microthrix和Rhodobacter）的豐度。研究意義是識(shí)別與高N2O排放相關(guān)的關(guān)鍵菌屬，揭示微生物生態(tài)對(duì)排放的影響。  

 

 

3 功能基因表達(dá)數(shù)據(jù)：來自圖6，顯示narG、nirS、nirK、nosZI和nosZII的轉(zhuǎn)錄本豐度。研究意義是揭示denitrification路徑的活性，nirK表達(dá)與N2O排放正相關(guān)，而nosZ clade II高表達(dá)可能與低排放相關(guān)，指導(dǎo)減排策略。  

 

4 廢水特性數(shù)據(jù)：來自表2，包括DO、NH4-N、NO3-濃度等。研究意義是關(guān)聯(lián)操作條件（如DO水平）與N2O排放，確認(rèn)高DO和NO3-促進(jìn)某些菌屬生長(zhǎng)和排放。

 

結(jié)論  

1 N2O排放受操作事件如曝氣轉(zhuǎn)換影響，優(yōu)化曝氣制度可減少排放峰值。  

2 Nitrotoga、Candidatus Microthrix和Rhodobacter等菌屬與高N2O排放相關(guān)，尤其在較高DO和NO3-條件下。  

3 nirK基因表達(dá)與N2O排放正相關(guān)，表明denitrification不完全可能導(dǎo)致排放。  

4 nosZ clade II高豐度可能與低N2O排放相關(guān)，是潛在減排關(guān)鍵，應(yīng)作為監(jiān)測(cè)重點(diǎn)。

 

使用丹麥Unisense電極測(cè)量數(shù)據(jù)的研究意義  

使用丹麥Unisense電極測(cè)量數(shù)據(jù)的研究意義在于其高精度實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)能力，能夠準(zhǔn)確量化溶解N2O濃度動(dòng)態(tài)，響應(yīng)時(shí)間快，幫助捕獲N2O排放的瞬時(shí)峰值和趨勢(shì)。在研究中，電極數(shù)據(jù)（來自圖2和監(jiān)測(cè)點(diǎn)）直接揭示了曝氣轉(zhuǎn)換期等操作事件觸發(fā)的N2O排放峰值，例如當(dāng)曝氣重啟時(shí)N2O濃度迅速上升。這種實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)使研究人員能夠鏈接過程變化（如DO波動(dòng)）與排放事件，為優(yōu)化曝氣策略和減少溫室氣體排放提供實(shí)證依據(jù)。此外，電極監(jiān)測(cè)還驗(yàn)證了液體相N2O與氣體相排放的相關(guān)性，增強(qiáng)了對(duì)N2O產(chǎn)生和傳輸機(jī)制的理解，支持開發(fā)更有效的減排措施。