Highly efficient nitrate removal in a heterotrophic denitrification system amended with redox-active biochar: A molecular and electrochemical mechanism  

在添加氧化還原活性生物炭的異養(yǎng)反硝化系統(tǒng)中高效去除硝酸鹽：分子和電化學(xué)機(jī)制  

來源：Bioresource Technology, Volume 275, 2019, Pages 297-306

《生物資源技術(shù)》，第275卷，2019年，第297-306頁

 

摘要  

這篇論文研究了不同熱解溫度（300°C、500°C、800°C）制備的生物炭對異養(yǎng)反硝化過程的影響。結(jié)果表明，300°C生物炭（300BC）能顯著提高總氮去除率415%，減少N2O積累78%。機(jī)制上，300BC具有最高的電子轉(zhuǎn)移效率和反硝化酶活性，并增加了反硝化菌如Pseudomonas的豐度。硝酸鹽還原酶和亞硝酸鹽還原酶活性是關(guān)鍵影響因素。  

 

研究目的  

本研究旨在探索生物炭對反硝化過程中硝酸鹽、亞硝酸鹽還原和N2O積累的影響；研究生物炭對反硝化酶活性和反硝化菌群落的 impacts；揭示生物炭對電子生成和傳輸?shù)挠绊懀唤⑽⑸锎x、生物炭氧化還原性質(zhì)與反硝化性能之間的關(guān)系。  

 

研究思路  

研究通過制備不同熱解溫度（300°C、500°C、800°C）的生物炭，在批式反應(yīng)器中進(jìn)行反硝化實(shí)驗(yàn)。結(jié)合分子生物學(xué)和電化學(xué)技術(shù)，測量氮去除效率、酶活性、電子傳輸系統(tǒng)活性（ETSA）、微生物群落結(jié)構(gòu)和生物炭的氧化還原性質(zhì)。使用相關(guān)分析和統(tǒng)計(jì)方法驗(yàn)證機(jī)制。  

 

測量的數(shù)據(jù)及研究意義  

1 氮去除數(shù)據(jù)，來自Fig. 1：包括NO3-N、NO2-N、N2O濃度和TN去除效率。300BC顯著提高NO3-N去除和TN去除效率，減少NO2和N2O積累。研究意義在于證明300BC能有效促進(jìn)反硝化過程，減少溫室氣體排放，為生物炭在廢水處理中的應(yīng)用提供依據(jù)。  

 

2 酶活性數(shù)據(jù)，來自Fig. 2：包括硝酸鹽還原酶（NAR）、亞硝酸鹽還原酶（NIR）、一氧化氮還原酶（NOR）和氧化亞氮還原酶（NOS）的活性。300BC下這些酶活性最高。研究意義在于酶活性提高是反硝化增強(qiáng)的直接機(jī)制，幫助理解生物炭的催化作用。  

 

3 葡萄糖降解和ETSA數(shù)據(jù)，來自Fig. 3：300BC提高葡萄糖降解效率和電子傳輸系統(tǒng)活性（ETSA）。研究意義在于表明生物炭促進(jìn)電子生成和傳輸，支持反硝化過程的電子需求。  

 

4 微生物群落數(shù)據(jù)，來自Fig. 4：300BC增加Pseudomonas等反硝化菌的豐度。研究意義在于微生物群落變化證實(shí)生物炭對反硝化菌的富集作用，從而改善反硝化性能。  

 

5 電化學(xué)性質(zhì)數(shù)據(jù)，來自Fig. 5：300BC具有最高的電子捐贈(zèng)容量（EDC）。研究意義在于EDC與反硝化率正相關(guān)，表明生物炭作為電子穿梭體，增強(qiáng)電子轉(zhuǎn)移，是促進(jìn)反硝化的關(guān)鍵。  

 

結(jié)論  

1 300BC最有效地促進(jìn)反硝化，提高氮去除率，減少N2O積累，而800BC抑制反硝化。  

2 生物炭主要通過影響電子傳輸效率來影響反硝化過程，300BC具有高電子交換容量。  

3 300BC促進(jìn)葡萄糖降解和反硝化酶活性，增加反硝化菌豐度。  

4 需要進(jìn)一步研究不同原材料生物炭的影響以及工程應(yīng)用可行性。  

 

使用丹麥Unisense電極測量數(shù)據(jù)的研究意義  

在酶活性測量中，使用丹麥Unisense微傳感器（型號MMM-Meter）檢測N2O變化，用于計(jì)算NOR和NOS活性。研究意義在于：Unisense電極提供高精度、實(shí)時(shí)的N2O監(jiān)測，能準(zhǔn)確量化酶活性動(dòng)態(tài)，幫助驗(yàn)證生物炭如何通過提高酶活性減少N2O積累。這些數(shù)據(jù)支持電化學(xué)機(jī)制，表明生物炭作為電子穿梭體，增強(qiáng)電子轉(zhuǎn)移，從而優(yōu)化反硝化過程，減少溫室氣體排放。電極的使用確保了實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的可靠性，為分子和電化學(xué)機(jī)制提供實(shí)證基礎(chǔ)。