Pathways and Controls of N2O Production in Nitritation-Anammox Biomass

硝化-厭氧氨氧化生物質(zhì)中N2O生產(chǎn)途徑與控制

來源：Environmental Science & Technology, 2017, Volume 51, Pages 8981-8991

《環(huán)境科學(xué)與技術(shù)》，2017年，第51卷，8981-8991頁

 

摘要

摘要部分闡述了研究通過使用新型穩(wěn)定同位素標(biāo)記方法（15N和18O）調(diào)查了從全規(guī)模硝化-厭氧氨氧化反應(yīng)器中取出的生物質(zhì)中N2O生產(chǎn)的途徑和控制因素。實(shí)驗(yàn)表明，在好氧條件下（≥0.2 mg O2 L-1），異養(yǎng)反硝化是N2O的可忽略來源。羥基胺氧化和硝化菌反硝化在廣泛的O2、NH4+和NO2-濃度條件下都對(duì)N2O積累有顯著貢獻(xiàn)。O2濃度對(duì)凈N2O生產(chǎn)施加了最強(qiáng)控制，兩種生產(chǎn)途徑在低O2下均被刺激，且與NO2-濃度無關(guān)。低O2下羥基胺氧化對(duì)N2O生產(chǎn)的刺激是意外的，表明可能涉及多個(gè)酶途徑。羥基胺氧化的N2O生產(chǎn)進(jìn)一步被NH4+刺激，而低O2水平下的硝化菌反硝化被低至0.2 mM的NO2-刺激。研究顯示15N和18O同位素標(biāo)記是直接量化N2O生產(chǎn)途徑的有用方法，適用于多種環(huán)境。

 

研究目的

研究的主要目的是分析N2O生產(chǎn)的途徑并系統(tǒng)評(píng)估O2、NO2-和NH4+濃度對(duì)從全規(guī)模單級(jí)硝化-厭氧氨氧化反應(yīng)器中取出的混合培養(yǎng)生物質(zhì)中N2O生產(chǎn)的影響，以建立有效的N2O減排策略。通過區(qū)分N2O生產(chǎn)機(jī)制及其控制因素，為優(yōu)化污水處理過程提供基礎(chǔ)。

 

研究思路

研究思路包括使用從全規(guī)模硝化-厭氧氨氧化反應(yīng)器（ANITA Mox移動(dòng)床生物膜反應(yīng)器）中取出的生物膜樣本，通過15N標(biāo)記的NH4+、NO2-或NO3-以及18O標(biāo)記的O2進(jìn)行孵育實(shí)驗(yàn)，監(jiān)測(cè)15N標(biāo)記和未標(biāo)記產(chǎn)物。采用氣相色譜-同位素比質(zhì)譜法（GC-IRMS）分析N2和N2O的同位素組成，計(jì)算N2O生產(chǎn)途徑（羥基胺氧化和硝化菌反硝化/異養(yǎng)反硝化）的貢獻(xiàn)。實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)性地改變了O2、NO2-和NH4+濃度，以評(píng)估這些因素對(duì)N2O生產(chǎn)途徑的影響，并利用qPCR分析微生物群落結(jié)構(gòu)。

 

測(cè)量的數(shù)據(jù)及研究意義

1 O2濃度對(duì)N2O生產(chǎn)速率的影響數(shù)據(jù)：來自Figure 1A和Table 2。數(shù)據(jù)顯示凈N2O生產(chǎn)速率與O2濃度呈負(fù)相關(guān)，低O2（如0.2 mg L-1）刺激羥基胺氧化和硝化菌反硝化途徑。研究意義在于確認(rèn)O2是控制N2O生產(chǎn)的關(guān)鍵因素，低O2條件會(huì)顯著增加N2O排放，這指導(dǎo)了通過調(diào)節(jié)曝氣策略來減排N2O。

 

 

2 NO2-濃度對(duì)N2O生產(chǎn)途徑的影響數(shù)據(jù)：來自Figure 1B。數(shù)據(jù)顯示硝化菌反硝化途徑的N2O生產(chǎn)與NO2-濃度正相關(guān)，在低O2下飽和于約0.5 mM NO2-，而羥基胺氧化途徑不受NO2-影響。研究意義在于揭示了NO2-可用性在低O2下限制硝化菌反硝化，強(qiáng)調(diào)了控制NO2-積累對(duì)減少N2O的重要性。

3 NH4+濃度對(duì)N2O生產(chǎn)的影響數(shù)據(jù)：來自Figure 1C和Table 2。數(shù)據(jù)顯示NH4+增加刺激羥基胺氧化途徑的N2O生產(chǎn)，而硝化菌反硝化貢獻(xiàn)較小。研究意義在于表明高NH4+負(fù)載會(huì)直接通過羥基胺氧化增加N2O產(chǎn)量，提示需優(yōu)化NH4+輸入以降低排放。

4 N2O生產(chǎn)途徑分區(qū)數(shù)據(jù)：來自同位素配對(duì)計(jì)算（基于15N和18O標(biāo)記），顯示羥基胺氧化和硝化菌反硝化在多種條件下的貢獻(xiàn)比例。研究意義在于提供了直接量化途徑的方法，有助于理解動(dòng)態(tài)過程并開發(fā)靶向控制策略。

5 微生物群落數(shù)據(jù)：來自qPCR分析，顯示氨氧化細(xì)菌和厭氧氨氧化細(xì)菌為優(yōu)勢(shì)群，反硝化基因豐富。研究意義在于將微生物組成與功能關(guān)聯(lián)，支持途徑分析的可信度。

 

結(jié)論

1 O2濃度對(duì)N2O生產(chǎn)有最強(qiáng)影響，低O2刺激羥基胺氧化和硝化菌反硝化途徑，導(dǎo)致N2O排放增加。

2 羥基胺氧化和硝化菌反硝化都是N2O的重要來源，貢獻(xiàn)程度受O2、NO2-和NH4+濃度調(diào)節(jié)，其中羥基胺氧化在低O2和高NH4+下占主導(dǎo)。

3 異養(yǎng)反硝化在好氧條件下對(duì)N2O貢獻(xiàn)可忽略，但在缺氧條件下可能顯著。

4 通過優(yōu)化O2濃度（避免低O2）和控制NH4+及NO2-負(fù)載，可以最小化硝化-厭氧氨氧化系統(tǒng)中的N2O排放。

 

使用丹麥Unisense電極測(cè)量數(shù)據(jù)的研究意義

在研究中，丹麥Unisense電極用于測(cè)量氧化還原電位（ORP）和溶解氧（DO），以高精度監(jiān)測(cè)生物膜內(nèi)和主體水中的微環(huán)境變化。具體而言，Unisense微電極系統(tǒng)（包括RD 50微電極和REF 5000參考電極）與微操縱器結(jié)合，實(shí)現(xiàn)了生物膜內(nèi)不同深度的ORP和DO剖面測(cè)量（如Methods部分所述）。這些數(shù)據(jù)提供了微生物代謝活動(dòng)的實(shí)時(shí)信息，例如低O2條件下ORP的波動(dòng)反映了好氧/缺氧交替，從而關(guān)聯(lián)到代謝解偶聯(lián)和N2O生產(chǎn)途徑的激活。Unisense電極的高分辨率和靈敏度確保了ORP和DO測(cè)量的可靠性，支持了O2濃度作為關(guān)鍵控制參數(shù)的結(jié)論。此外，這些測(cè)量幫助驗(yàn)證了同位素標(biāo)記結(jié)果，增強(qiáng)了途徑分區(qū)的準(zhǔn)確性。因此，Unisense電極技術(shù)是理解N2O生產(chǎn)機(jī)制和開發(fā)實(shí)時(shí)控制策略的重要工具，為優(yōu)化污水處理過程提供了實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)。