Indigenous mixotrophic aerobic denitrifiers stimulated by oxygen micro/nanobubble-loaded microporous biochar  

氧微/納米氣泡負(fù)載微孔生物炭刺激本土混合營養(yǎng)型好氧反硝化菌  

來源：Bioresource Technology，391 (2024) 129997

《生物資源技術(shù)》，第391卷，2024年，文章編號：129997

 

摘要內(nèi)容：  

研究開發(fā)了一種新型氧微/納米氣泡（MNB）負(fù)載微孔生物炭（OMB），用于激活水體沉積物中的本土好氧反硝化菌以強(qiáng)化脫氮。通過真空壓力擺動(dòng)吸附法將O? MNBs負(fù)載于微孔生物炭（平均孔徑1.9 nm），形成OMB材料。薄層OMB覆蓋沉積物-水界面（SWI）后，溶解氧（DO）滲透深度從<4.0 mm增至38.4 mm（30天），總氮（TN）去除率達(dá)60%。高通量測序表明OMB顯著刺激了混合營養(yǎng)型好氧反硝化菌群落（總豐度38.1%），包括自養(yǎng)反硝化菌（Hydrogenophaga、Thiobacillus）、異養(yǎng)反硝化菌（Limnobacter、unclassified_f_Methylophilaceae）及異養(yǎng)硝化-好氧反硝化菌（HNADB，如Shinella、Acidovorax）。網(wǎng)絡(luò)分析顯示OMB增強(qiáng)了微生物協(xié)作關(guān)系，并促進(jìn)硝化（amoCAB、hao）與反硝化（narGHI、nirS、nosZ）功能基因表達(dá)。  

 

研究目的：  

解決富營養(yǎng)化水體沉積物缺氧抑制好氧反硝化菌活性的問題，通過OMB材料實(shí)現(xiàn)SWI持續(xù)增氧，激活本土微生物脫氮功能。  

 

研究思路：  

材料制備：采用真空壓力擺動(dòng)吸附法將O? MNBs負(fù)載于微孔生物炭（圖1c），通過孔隙特性（圖1a）和疏水性增強(qiáng)氣泡穩(wěn)定性。  

 

微宇宙實(shí)驗(yàn)：設(shè)置對照組（無覆蓋）、MB組（微孔生物炭覆蓋）、OMB組（氧微泡生物炭覆蓋），監(jiān)測30天內(nèi)上覆水DO、氮素動(dòng)態(tài)（圖2）及沉積物剖面DO/N?O分布（圖3）。  

 

 

微生物響應(yīng)：分析沉積物微生物群落結(jié)構(gòu)（圖4）、網(wǎng)絡(luò)互作（圖5）及功能基因（圖6），明確OMB對好氧反硝化菌的激活機(jī)制。  

 

 

 

測量數(shù)據(jù)及研究意義（標(biāo)注來源圖/表）：  

DO滲透深度（圖3a）：OMB使沉積物DO滲透深度從<4.0 mm增至38.4 mm，證實(shí)其高效增氧能力，為好氧反硝化創(chuàng)造微環(huán)境。  

 

氮素去除（圖2b,e）：TN和NH??-N去除率分別達(dá)60%和91%（OMB組），顯著高于MB組（39%/62%），證明生物轉(zhuǎn)化主導(dǎo)脫氮。  

 

微生物群落（圖4c）：OMB刺激好氧反硝化菌總豐度達(dá)38.1%（對照組僅1.2%），關(guān)鍵菌屬Hydrogenophaga（自養(yǎng)，8.3%）、Shinella（HNADB，2.2%）豐度顯著提升。  

 

功能基因（圖6c）：OMB組硝化基因（amoCAB、hao）和反硝化基因（narGHI、nosZ）表達(dá)量提升，證實(shí)協(xié)同硝化-反硝化途徑強(qiáng)化。  

 

N?O分布（圖3b）：OMB組沉積物N?O積累最低，反映好氧反硝化減少溫室氣體排放。  

 

Unisense電極數(shù)據(jù)的核心研究意義：  

量化缺氧緩解效果：通過微電極直接測量沉積物剖面DO梯度（圖3a），證實(shí)OMB將氧滲透深度擴(kuò)展近10倍（<4.0 mm→38.4 mm），為微生物提供好氧反硝化所需微環(huán)境。  

 

揭示反硝化路徑：N?O微剖面監(jiān)測（圖3b）顯示OMB組積累最低，結(jié)合DO數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)證明好氧反硝化途徑（低N?O產(chǎn)率）主導(dǎo)脫氮，規(guī)避傳統(tǒng)厭氧反硝化的溫室氣體風(fēng)險(xiǎn)。  

 

指導(dǎo)過程優(yōu)化：實(shí)時(shí)DO/N?O聯(lián)測為材料增氧效率提供原位驗(yàn)證，支撐"O?過飽和→刺激好氧菌→高效脫氮"的機(jī)制解析。  

 

結(jié)論：  

OMB通過微孔結(jié)構(gòu)穩(wěn)定負(fù)載O? MNBs，實(shí)現(xiàn)SWI持續(xù)增氧（DO滲透深度38.4 mm），徹底改變沉積物缺氧狀態(tài)。  

 

OMB激活本土混合營養(yǎng)型好氧反硝化菌群落（總豐度38.1%），自養(yǎng)（Hydrogenophaga）與異養(yǎng)（Shinella）菌協(xié)同實(shí)現(xiàn)高效脫氮（TN去除率60%）。  

 

微生物網(wǎng)絡(luò)分析顯示OMB增強(qiáng)菌群協(xié)作，功能基因表達(dá)證實(shí)硝化-反硝化耦合途徑，為富營養(yǎng)化水體原位修復(fù)提供新技術(shù)。