Characteristics of microbial denitrification under different aeration intensities: Performance, mechanism, and co-occurrence network  

不同曝氣強(qiáng)度下微生物反硝化特性：性能、機(jī)制及共現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)  

來源：Science of the Total Environment, Volume 754, Article 141965, 2021  

《總體環(huán)境科學(xué)》第754卷，文章編號141965，2021年  

 

摘要內(nèi)容

 

研究通過調(diào)控曝氣強(qiáng)度（0.00、0.25、0.63、1.25 L/(L·min)），探究溶解氧（DO）對混合菌群反硝化性能的影響機(jī)制：  

1. 脫氮效率：TN去除率在0.25 L/(L·min)曝氣強(qiáng)度下達(dá)峰值1.45 mg/(L·min)，顯著高于純培養(yǎng)體系（圖1-2，表1）。  

 

 

 

2. 代謝機(jī)制：適度曝氣（0.25 L/(L·min)）促進(jìn)NADH積累（速率0.061 ng/(mg Pro·min)）及反硝化功能基因（napA、nirK、nosZ）表達(dá)（圖3-4）。  

 

 

3. 微生物互作：曝氣體系以兼性好氧反硝化菌（Azoarcus、Paracoccus等）為主導(dǎo)，通過菌群協(xié)同構(gòu)建脫氮微環(huán)境；非曝氣體系依賴Propionivibrio屬內(nèi)共生（圖5-6）。  

 

 

研究目的

 

1. 揭示DO對混合菌群反硝化效率的調(diào)控規(guī)律。  

2. 從NADH代謝與功能基因表達(dá)角度解析好氧反硝化機(jī)制。  

3. 闡明曝氣強(qiáng)度驅(qū)動的微生物共現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)對脫氮性能的影響。  

 

研究思路

 

1. 反應(yīng)器設(shè)計(jì)：四組連續(xù)曝氣序批式反應(yīng)器（C/N=4.5），對比不同曝氣強(qiáng)度下脫氮效率（圖1-2）。  

2. 多參數(shù)監(jiān)測：  

   ? 脫氮動力學(xué)：TN、COD、NO??、NO??實(shí)時(shí)濃度（圖2）。  

 

   ? 代謝活性：NADH含量（ELISA法，圖3）、功能基因表達(dá)量（qPCR，圖4）。  

 

   ? 微生物群落：16S rRNA高通量測序（門/屬水平組成，圖5）、共現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)分析（SparCC，圖6）。  

 

3. 機(jī)制關(guān)聯(lián)：結(jié)合氮平衡分析、電子通量計(jì)算，解析DO對碳氮代謝路徑的調(diào)控作用。  

 

測量數(shù)據(jù)及研究意義

 

1. TN去除率（圖2，表1）：  

   ? 數(shù)據(jù)：R1(0.93) < R2(1.45) > R3(0.86) > R4(0.53) mg/(L·min)。  

 

   ? 意義：證實(shí)0.25 L/(L·min)為最優(yōu)曝氣強(qiáng)度，顛覆“厭氧條件最優(yōu)”傳統(tǒng)認(rèn)知，為工程優(yōu)化提供依據(jù)。  

 

2. NADH積累（圖3）：  

   ? 數(shù)據(jù)：R2的NADH積累速率（0.061 ng/(mg Pro·min)）顯著高于R3(0.016)、R4(0.013)。  

 

   ? 意義：適度DO促進(jìn)電子供體（NADH）生成，支持好氧反硝化酶系高效運(yùn)作。  

 

3. 功能基因表達(dá)（圖4）：  

   ? 數(shù)據(jù)：napA、nirK、nosZ在R2的相對表達(dá)量最高（較R1提升1.8-2.3倍）。  

 

   ? 意義：從分子水平揭示DO通過調(diào)控反硝化酶基因表達(dá)影響脫氮效率。  

 

4. 微生物網(wǎng)絡(luò)（圖6）：  

   ? 數(shù)據(jù)：R2中Azoarcus與Pseudomonas正相關(guān)（r>0.8），形成協(xié)同脫氮核心菌群。  

 

   ? 意義：曝氣驅(qū)動菌群從屬內(nèi)共生（R1-Propionivibrio）轉(zhuǎn)向?qū)匍g互作（R2-跨界協(xié)作），提升系統(tǒng)穩(wěn)定性。  

 

結(jié)論

 

1. 曝氣強(qiáng)度閾值：0.25 L/(L·min)實(shí)現(xiàn)最高TN去除率（1.45 mg/(L·min)），NADH積累與功能基因表達(dá)達(dá)峰值。  

2. 代謝路徑轉(zhuǎn)換：高DO（>0.63 L/(L·min)）促進(jìn)硝酸鹽同化（占TN去除43.8%），但抑制異化反硝化。  

3. 菌群協(xié)作機(jī)制：  

   ? 曝氣體系：好氧反硝化菌（如Paracoccus）與異養(yǎng)菌（如Tepidisphaera）通過代謝互作構(gòu)建脫氮微環(huán)境。  

 

   ? 非曝氣體系：Propionivibrio屬內(nèi)共生主導(dǎo)，效率低于曝氣最優(yōu)組。  

 

4. 工程啟示：混合菌群好氧反硝化可通過調(diào)控DO優(yōu)化菌群結(jié)構(gòu)，提升污水處理脫氮效能。  

 

丹麥Unisense電極測量數(shù)據(jù)的研究意義

 

Unisense微電極（型號N?O-50/NO-50）用于實(shí)時(shí)監(jiān)測反硝化過程氣體釋放：  

1. 高分辨率監(jiān)測：  

   ? 電極以10秒間隔連續(xù)記錄N?O/NO濃度（2.2節(jié)），捕捉瞬態(tài)中間產(chǎn)物釋放（如NO??峰值24 mg/L，圖2d）。  

 

   ? 意義：揭示好氧反硝化過程N(yùn)?O排放量低（nosZ基因高表達(dá)抑制N?O積累，圖4），為低碳脫氮工藝提供依據(jù)。  

 

2. 過程機(jī)制驗(yàn)證：  

   ? 結(jié)合DO與NADH數(shù)據(jù)（圖3），證實(shí)適度DO減少電子競爭，促進(jìn)NO??→N?完全還原。  

 

   ? 意義：量化電子通量分配（O? vs. NO??），闡明好氧反硝化低N?O排放的生化機(jī)制。  

 

3. 工藝優(yōu)化支撐：  

   ? 電極數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)群落分析（圖5-6），證明曝氣驅(qū)動菌群向低N?O排放菌（如Pseudomonas）富集。  

 

   ? 意義：為優(yōu)化曝氣策略以減少溫室氣體排放提供原位監(jiān)測手段。  

 

科學(xué)價(jià)值：Unisense電極以秒級分辨率捕捉氣體代謝動態(tài)，將宏觀脫氮性能（如TN去除率）與微觀代謝機(jī)制（電子傳遞、基因表達(dá)）定量關(guān)聯(lián)，推動好氧反硝化從菌株篩選邁向群落工程應(yīng)用。