Effect of organic carbons on microbial activity and structure in denitrifying systems acclimated to nitrite as the electron acceptor

有機(jī)碳對以亞硝酸鹽為電子受體的反硝化系統(tǒng)中微生物活性和結(jié)構(gòu)的影響

來源：International Biodeterioration & Biodegradation, Volume 118, 2017, Pages 66-72

《國際生物劣化與生物降解》，第118卷，2017年，頁碼66-72

 

摘要

這篇論文研究了以亞硝酸鹽為電子受體的反硝化系統(tǒng)中，不同有機(jī)碳源（乙酸鈉、丙酸鈉、蛋白胨和淀粉）對微生物活性、群落結(jié)構(gòu)及氧化亞氮（N2O）生產(chǎn)和排放的影響。摘要指出，使用簡單有機(jī)碳（乙酸鈉和丙酸鈉）時(shí)，亞硝酸鹽氮（NO2-N）去除效率高（99.75%和99.92%），反硝化速率快（102.32和59.43 mg N/(g MLVSS·h)），N2O產(chǎn)量低（峰值0.0200和0.0281 mg/L）；而使用復(fù)雜有機(jī)碳（蛋白胨和淀粉）時(shí)，NO2-N去除效率較低（85.71%和92.47%），反硝化速率慢（11.79和6.51 mg N/(g MLVSS·h)），但N2O產(chǎn)量高（峰值1.3772和5.8879 mg/L）。游離亞硝酸（FNA）濃度影響N2O轉(zhuǎn)化率，最高達(dá)62.67%。微生物分析顯示Thauera為主要反硝化菌屬。

 

研究目的

研究目的是探討不同有機(jī)碳類型對以亞硝酸鹽為電子受體的反硝化系統(tǒng)性能的影響，包括反硝化活性、N2O排放特性以及微生物群落結(jié)構(gòu)變化，以優(yōu)化工藝減少溫室氣體排放。

 

研究思路

研究思路首先建立四個(gè)序批式反應(yīng)器（SBR），分別以乙酸鈉、丙酸鈉、蛋白胨和淀粉為碳源，長期運(yùn)行馴化反硝化污泥。通過監(jiān)測NO2-N去除效率、反硝化速率和N2O生產(chǎn)排放，評估系統(tǒng)性能。進(jìn)行批次實(shí)驗(yàn)測試不同初始FNA濃度對反硝化活性和N2O生產(chǎn)的影響。利用高通量測序分析微生物群落結(jié)構(gòu)，結(jié)合Unisense N2O微傳感器在線監(jiān)測N2O濃度，從宏觀和微觀角度解析碳源的影響機(jī)制。

 

測量的數(shù)據(jù)及研究意義

1 NO2-N去除效率和反硝化速率數(shù)據(jù)：測量了不同碳源下NO2-N去除效率（99.75%、99.92%、85.71%、92.47%）和反硝化速率（102.32、59.43、11.79、6.51 mg N/(g MLVSS·h)），來自表1。研究意義是證實(shí)簡單有機(jī)碳促進(jìn)高效反硝化，而復(fù)雜碳源導(dǎo)致速率降低，為碳源選擇提供依據(jù)，以優(yōu)化脫氮效率。

 

2 N2O生產(chǎn)和排放峰值數(shù)據(jù)：記錄了不同碳源下N2O生產(chǎn)峰值（0.0200、0.0281、1.3772、5.8879 mg/L）和排放峰值（0.0122、0.0084、0.0182、0.6811 mg/L），來自正文結(jié)果部分。研究意義是顯示復(fù)雜碳源顯著增加N2O排放，突出FNA的抑制作用，強(qiáng)調(diào)控制碳源類型以減少溫室氣體。

3 FNA對N2O轉(zhuǎn)化率影響數(shù)據(jù)：分析了初始FNA濃度（0.0003-2.2637 mg/L）與N2O轉(zhuǎn)化率（最高62.67%）的關(guān)系，來自表2。研究意義是揭示FNA抑制N2O還原酶活性，導(dǎo)致N2O積累，為調(diào)控pH和亞硝酸鹽濃度以降低排放提供理論依據(jù)。

 

4 微生物群落結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)：通過16S rRNA測序發(fā)現(xiàn)Thauera為主要反硝化菌屬（比例19.8%、19.0%、2.6%、10.7%），來自正文和微生物群落分析部分。研究意義是闡明碳源影響菌群組成，簡單碳源富集Thauera增強(qiáng)反硝化，復(fù)雜碳源降低其比例，增加N2O風(fēng)險(xiǎn)，指導(dǎo)微生物管理。

 

結(jié)論

有機(jī)碳類型顯著影響反硝化活性和N2O排放，簡單碳源（如乙酸鈉）促進(jìn)高效脫氮且N2O產(chǎn)量低，而復(fù)雜碳源（如淀粉）導(dǎo)致高N2O排放。FNA是N2O積累的關(guān)鍵因素，Thauera是主要反硝化菌屬。優(yōu)化碳源選擇和FNA控制可減少溫室氣體排放。

 

使用丹麥Unisense電極測量數(shù)據(jù)的研究意義

使用丹麥Unisense N2O微傳感器測量水相N2O數(shù)據(jù)的研究意義在于實(shí)現(xiàn)了高精度在線實(shí)時(shí)監(jiān)測，能夠動態(tài)捕捉反硝化過程中N2O的瞬時(shí)變化。該傳感器檢測限低（0.0028 mg N2O-N/L），可準(zhǔn)確測量低濃度N2O，避免了傳統(tǒng)采樣帶來的誤差。通過實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)（如批次實(shí)驗(yàn)中N2O濃度峰值時(shí)間曲線），能夠精確量化FNA抑制下N2O積累速率，區(qū)分不同碳源的影響機(jī)制。例如，數(shù)據(jù)顯示復(fù)雜碳源下N2O排放延遲峰值，揭示了碳代謝緩慢導(dǎo)致的持續(xù)抑制效應(yīng)。這種原位監(jiān)測技術(shù)為理解反硝化途徑動態(tài)提供了直接證據(jù)，支持優(yōu)化操作參數(shù)以減少N2O排放。