Impact of carbon sources on nitrous oxide emission and microbial community structure in an anoxic/oxic activated sludge system

碳源對缺氧/好氧活性污泥系統中一氧化二氮排放和微生物群落結構的影響

來源：Clean Technologies and Environmental Policy, Volume 17, pages 2375–2385, 2015

《清潔技術與環境政策》，第17卷，第2375–2385頁，2015年

 

摘要

摘要部分闡述了碳源對反硝化過程中一氧化二氮（N2O）排放的影響。研究比較了甲醇和乙酸鈉作為唯一碳源在改良型Ludzak-Ettinger（MLE）過程中的效果。結果表明，雖然可溶性氮的去除效率不受碳源影響，但乙酸鈉系統的N2O排放率（1.6±0.6 μg N-N2O/min）低于甲醇系統（3.0±0.7 μg N-N2O/min）。批次實驗顯示，乙酸鈉培養的生物質具有更高的N2O還原率（10.3 mg/gVSS/h），而甲醇培養的為3.3 mg/gVSS/h。微生物群落分析發現，甲醇系統富含Methylotenera屬（34.9%），該屬無法還原N2O，而乙酸鈉系統富集了Dechloromonas和Rubrivivax屬等潛在N2O還原菌。摘要指出，乙酸鈉是替代甲醇以減少N2O排放的合適碳源。

 

研究目的

研究目的是調查外部碳源（甲醇和乙酸鈉）對MLE過程中N2O排放的影響，并評估碳源如何通過改變微生物群落結構來調控N2O生產與還原。

 

研究思路

研究思路包括設置兩個實驗室規模的MLE過程，分別以甲醇和乙酸鈉作為唯一碳源，在相同操作條件下運行。通過連續監測水質參數、N2O排放率和微生物指標，結合批次實驗測定N2O還原率，并使用分子生物學方法（如實時PCR和Illumina測序）分析功能基因和群落結構，以揭示碳源對N2O排放的機制。

 

測量的數據及研究意義

1. 水質參數：測量了溶解有機碳（DOC）、銨離子（NH4+）、亞硝酸鹽（NO2-）和硝酸鹽（NO3-）濃度，數據來自圖2。研究意義是評估碳源對氮去除效率的影響，顯示兩種系統去除效率相似，但乙酸鈉系統有輕微更高的亞硝酸鹽積累，這可能與硝化性能差異相關。

 

2. N2O排放率：測量了從好氧罐排放的N2O氣體速率，數據來自圖3。研究意義是直接比較碳源對N2O排放的影響，表明乙酸鈉系統排放更低，有助于評估碳源在減少溫室氣體排放方面的潛力。

 

3. N2O還原率：通過批次實驗測量了生物質在缺氧條件下的N2O還原速率，數據來自圖4。研究意義是揭示碳源如何影響反硝化活性，乙酸鈉系統更高的還原率解釋了其低排放原因，關聯到微生物功能。

 

4. 功能基因豐度：量化了amoA、nirK、nirS、nosZ Clade I和nosZ Clade II基因的拷貝數，數據來自圖5。研究意義是評估碳源對氮轉化酶基因的影響，乙酸鈉系統有更高的nosZ基因豐度，表明更強的N2O還原能力。

 

5. 微生物群落結構：通過16S rRNA基因測序分析了屬水平群落，數據來自圖6和表3。研究意義是揭示碳源如何塑造群落，乙酸鈉系統富集了N2O還原菌（如Dechloromonas和Rubrivivax），而甲醇系統以無法還原N2O的菌屬為主，這直接關聯到N2O排放差異。

 

 

 

結論

結論是碳源顯著影響MLE過程中的N2O排放。乙酸鈉作為碳源時，N2O排放率更低，歸因于更高的N2O還原率和富集了潛在N2O還原菌的微生物群落。相比之下，甲醇系統排放更高，與較低的還原率和以無法還原N2O的菌屬為主相關。這表明在廢水處理中，乙酸鈉是減少N2O排放的優選碳源。

 

使用丹麥Unisense電極測量數據的研究意義

使用丹麥Unisense電極測量了缺氧罐中的溶解N2O濃度，研究意義在于直接評估N2O在反硝化區域的生產和還原動態。這種測量提供了原位數據，彌補了僅從好氧罐氣體排放測量的不足，揭示了碳源如何影響缺氧條件下的N2O積累。例如，溶解N2O濃度較高可能指示不完全反硝化，結合批次實驗的還原率數據，可驗證碳源對N2O凈排放的機制。這增強了研究對N2O路徑的全面理解，為優化廢水處理工藝提供了微觀依據。