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Immobilization of Azospira sp. strain I13 by gel entrapment for mitigation of N2O from biological wastewater treatment plants: Biokinetic characterization and modeling
通過凝膠固定化Azospira sp. strain I13以減少生物廢水處理廠N2O排放：生物動力學表征與建模
來源：Journal of Bioscience and Bioengineering, Volume 126, Issue 2, 2018, Pages 213-219
《生物科學與生物工程雜志》，第126卷第2期，2018年，第213-219頁
摘要
摘要部分闡述了本研究通過鈣藻酸鹽凝膠固定化nosZ clade II型N2O還原細菌Azospira sp. strain I13，驗證了其在有氧和無氧條件下減少N2O的有效性。固定化細胞在體相液體溶解氧濃度高達100μM時仍能進行N2O還原，最大表觀N2O攝取率（V'm.N2O）保留了細胞懸浮液的72%。凝膠固定化增加了表觀N2O半飽和常數（K/m.N2O）和表觀O2抑制常數（K/），表明O2抗性增強。采用擴散和反應機制模型描述了實驗觀察，并通過Thiele模數確定了有氧條件下實現N2O還原的合適凝膠尺寸。
研究目的
研究目的是開發一種減少生物廢水處理廠N2O排放的策略，通過固定化N2O還原細菌形成生物膜，以緩解氧氣（O2）對細菌代謝活性的抑制，并評估固定化技術的可行性和優化凝膠設計，為實際應用提供理論依據。
研究思路
研究思路基于將Azospira sp. strain I13固定化在鈣藻酸鹽凝膠中，在不同O2濃度下測試其N2O還原活性。使用微呼吸系統（如Unisense系統）實時監測O2和N2O濃度動態，獲取動力學參數。通過數學模型模擬擴散和反應過程，分析凝膠尺寸對 anaerobic zone 形成的影響，并優化凝膠設計以實現有氧條件下的N2O還原。
測量的數據及研究意義
1 數據：O2和N2O濃度隨時間的動態變化 profiles，來自Fig.1。研究意義：這些數據顯示了不同凝膠尺寸（小、中、大）下O2和N2O的消耗模式，證實固定化細菌在O2存在時仍能還原N2O，揭示了凝膠內部擴散限制和反應動力學的相互作用，為模型驗證提供基礎。
2 數據：表觀動力學參數（K'm.N2O和V'm.N2O），來自Table 1。研究意義：參數顯示固定化后K'm.N2O增加（如小凝膠24.0μM vs 懸浮液3.76μM），V'm.N2O保留72%，表明固定化降低了N2O親和力但維持了活性，有助于理解O2抑制的緩解機制和優化固定化條件。
3 數據：相對N2O消耗率與O2濃度的關系，來自Fig.2A。研究意義：數據表明隨著凝膠尺寸增大，N2O還原活性在更高O2濃度下出現（如大凝膠在140μM O2時活性顯現），證明凝膠尺寸可調節O2抗性，指導實際應用中凝膠尺寸選擇以應對不同有氧環境。
4 數據：模型模擬結果與實驗比較，來自Fig.2B、C、D和Fig.3。研究意義：模擬結果與實驗數據吻合，驗證了擴散-反應模型的準確性，并通過Thiele模數預測了最小凝膠尺寸（如直徑1.54mm）以確保 anaerobic zone 形成，為凝膠設計提供理論工具。
結論
1 凝膠固定化Azospira sp. strain I13可在有O2存在時有效還原N2O，最大表觀攝取率保留72%，表明固定化技術能緩解O2抑制。
2 固定化增加了表觀半飽和常數K'm.N2O和O2抑制常數K/，增強了細菌對O2的抗性，但降低了N2O親和力。
3 數學模型成功描述了擴散和反應過程，確定凝膠尺寸（如直徑1.54mm）是關鍵參數，用于在有氧條件下形成 anaerobic zone 并激活N2O還原。
4 研究為廢水處理廠N2O減排提供了新策略，通過生物強化固定化細菌實現有氧環境下的N2O消耗。
使用丹麥Unisense電極測量數據的研究意義
使用丹麥Unisense電極測量數據的研究意義在于，其微呼吸系統（如O2和N2O微傳感器）實現了高精度、實時監測溶解O2和N2O濃度動態，時間分辨率達1秒，濃度分辨率達0.1μM。在本文中，該系統用于測量凝膠內部和體相液體的O2和N2O profiles（Fig.1），提供了關鍵動力學數據。意義包括：首先，它允許在短時間間隔內捕獲O2和N2O的同步呼吸動態，直接驗證固定化細菌在有氧條件下的活性，避免了傳統方法的氣液平衡限制。其次，高分辨率數據使能準確擬合Michaelis-Menten方程，獲取表觀動力學參數（如K'm.N2O和V'm.N2O），這些參數揭示了固定化對底物親和力和O2抑制的影響。最后，這些測量為數學模型提供了驗證基礎，通過比較實驗和模擬 profiles（Fig.2），優化了擴散-反應模型，從而指導凝膠尺寸設計。總之，Unisense電極數據提供了深入的機制理解，支持了固定化技術在有氧廢水處理中應用N2O還原細菌的可行性。