Efficient nitrous oxide production and metagenomics-based analysis of microbial communities in denitrifying systems acclimated with different electron acceptors  

基于不同電子受體馴化的反硝化系統(tǒng)中高效氧化亞氮生產(chǎn)及微生物群落的宏基因組學分析  

來源：International Biodeterioration & Biodegradation, Volume 138, 2019, Pages 92-98

《國際生物退化與生物降解》，第138卷，2019年，第92-98頁

 

摘要  

這篇論文研究了電子受體（硝酸鹽和亞硝酸鹽）和游離亞硝酸（FNA）濃度對反硝化性能和氧化亞氮（N2O）生成的影響。通過在馴化于硝酸鹽（SBRA）和亞硝酸鹽（SBR1）的反硝化系統(tǒng)中進行實驗，發(fā)現(xiàn)亞硝酸鹽作為電子受體時N2O生成更高，最高轉(zhuǎn)化率達89.9%，這歸因于FNA對N2O還原酶（Nos）的抑制和電子不足。宏基因組學分析顯示微生物群落結(jié)構(gòu)差異，SBRA中優(yōu)勢菌為Acidovorax，SBR1中為Thauera。  

 

研究目的  

本研究旨在探究不同電子受體和FNA濃度對反硝化過程及N2O生成的影響，通過宏基因組學分析微生物群落和功能基因，闡明反硝化機制，并為廢水處理中能源回收（以N2O形式）提供策略。  

 

研究思路  

研究設(shè)置兩個序批式反應(yīng)器（SBR），分別馴化于硝酸鹽（SBRA）和亞硝酸鹽（SBR1）作為電子受體。進行長期運行和循環(huán)實驗，測量氮化合物濃度、COD、N2O等參數(shù)。使用宏基因組學技術(shù)分析微生物群落結(jié)構(gòu)和反硝化基因豐度。通過計算FNA濃度、電子消耗率和N2O轉(zhuǎn)化率，評估電子競爭和FNA抑制對N2O生成的影響。  

 

測量的數(shù)據(jù)及研究意義  

1 氮濃度數(shù)據(jù)（NO3-N、NO2-N、N2O），來自Fig. 1。研究意義：顯示SBRA的硝酸鹽去除率為75.2%，SBR1的亞硝酸鹽去除率為99.8%，表明亞硝酸鹽作為電子受體時反硝化效率更高，但N2O積累更嚴重，為優(yōu)化電子受體選擇提供依據(jù)。  

 

2 N2O生產(chǎn)速率數(shù)據(jù)，來自Fig. 2。研究意義：初始階段N2O生產(chǎn)速率高（SBR1達28.9 mg N/g VSS·h），平均速率較低，反映電子競爭和FNA抑制的動態(tài)變化，幫助理解N2O生成機制。  

 

3 FNA濃度與N2O生產(chǎn)速率關(guān)系數(shù)據(jù)，來自Fig. 3。研究意義：FNA濃度越高，N2O生產(chǎn)速率越高，最高FNA濃度（0.1527 mg/L）對應(yīng)N2O轉(zhuǎn)化率89.9%，證實FNA對Nos活性的抑制是N2O積累的關(guān)鍵因素。  

 

4 基因豐度數(shù)據(jù)（nar、nir、nor、nos），來自Fig. 4。研究意義：SBRA中nar基因豐度較高，SBR1中nir基因豐度較高，但nos基因豐度相似，表明N2O生成更受環(huán)境因素（如FNA）影響而非基因豐度，深化了對反硝化酶功能的理解。  

 

5 微生物群落數(shù)據(jù)，來自Fig. 5。研究意義：SBRA中Acidovorax占21.9%，SBR1中Thauera占11.3%，顯示電子受體馴化對群落結(jié)構(gòu)的影響，為微生物工程應(yīng)用提供參考。  

 

結(jié)論  

1 亞硝酸鹽作為電子受體可實現(xiàn)完全氮去除，但N2O生成更高，最高轉(zhuǎn)化率達89.9%。  

2 FNA濃度是影響N2O生成的主要因素，高FNA抑制Nos活性，導(dǎo)致N2O積累。  

3 電子競爭在反硝化過程中起關(guān)鍵作用，亞硝酸鹽作為電子受體時，Nir消耗更多電子，使Nos電子不足。  

4 微生物群落結(jié)構(gòu)因電子受體而異，SBRA以Acidovorax為主，SBR1以Thauera為主，但N2O生成更受FNA影響而非基因豐度。  

5 研究為廢水處理中N2O作為能源回收提供了理論支持，建議優(yōu)化操作條件以最大化N2O生產(chǎn)。  

 

使用丹麥Unisense電極測量數(shù)據(jù)的研究意義  

在實驗中，使用丹麥Unisense N2O微電極（型號N2O-500-9707）在線測量水相N2O濃度。研究意義：該電極提供高精度、實時監(jiān)測，能夠準確捕捉N2O的動態(tài)變化，特別是在反硝化初始階段N2O快速積累的過程。這有助于量化N2O生產(chǎn)速率、評估FNA抑制效果和理解電子競爭機制。電極數(shù)據(jù)證實了亞硝酸鹽作為電子受體時N2O生成更高，且FNA濃度與N2O積累正相關(guān)，為反硝化過程的優(yōu)化和N2O能源化利用提供了可靠的數(shù)據(jù)支持。