Effect of starvation time on NO and N2O production during heterotrophic denitrification with nitrite and glucose shock loading  

饑餓時間對亞硝酸鹽和葡萄糖沖擊負荷下異養反硝化過程中NO和N2O產生的影響  

來源：Process Biochemistry, Volume 86, 2019, Pages 108-116

《過程生物化學》，第86卷，2019年，頁碼108-116

 

摘要  

摘要指出，生物脫氮過程中一氧化氮（NO）和氧化亞氮（N2O）的積累已被廣泛研究，但饑餓時間對NO和N2O積累的機制尚未充分表征。亞硝酸鹽反硝化作為NO和N2O產生的重要來源，受到越來越多關注。本研究旨在調查饑餓時間對亞硝酸鹽反硝化過程中NO和N2O積累的影響。結果表明，饑餓時間顯著影響NO積累，高NO積累可能與饑荒后的盛宴導致的電子分布不平衡有關。N2O積累在所有饑餓測試中包括兩個階段，即外源反硝化和內源反硝化。N2O積累主要歸因于電子競爭、游離亞硝酸（FNA）抑制和饑餓時間。此外，適度饑餓時間促進NO和N2O積累，尤其是饑餓時間對NO積累的影響比N2O更顯著。有趣的是，在NO解毒過程中檢測到高溶解氧（DO），部分與NO歧化有關。微生物群落分析顯示，主要菌屬為Phycisphaera、Thauera、Comamonas、Bdellovibrio和Castellaniella，這些屬于反硝化菌。  

 

研究目的  

研究目的是調查饑餓時間對亞硝酸鹽反硝化過程中NO和N2O積累的影響，具體目標包括：（1）表征不同饑餓時間下的污染物轉化和去除性能；（2）揭示NO和N2O積累與饑餓時間的關系；（3）識別系統中的主要微生物群落。  

 

研究思路  

研究思路首先建立連續生物膜反應器，使用葡萄糖為碳源進行異養反硝化，運行5個月達到穩定狀態后，進行批次測試。設置不同饑餓時間（0、5、12、24小時），在批次反應器中測量污染物去除效率、NO和N2O積累動態。使用丹麥Unisense N2O和NO微傳感器實時監測溶解N2O和NO濃度，響應時間為10秒。同時分析微生物群落結構，通過高通量測序鑒定菌屬。通過計算NO和N2O的生產率和還原率，評估電子分布和FNA抑制的影響。  

 

測量的數據及研究意義  

1 COD、TN、TP的去除效率和去除率數據：來自表1，顯示饑餓時間對COD和TN去除效率影響不顯著（p>0.05），但TP去除效率隨饑餓時間增加而從32.5%升至44.39%。研究意義是表明饑餓時間主要影響磷的釋放和攝取，而對碳和氮去除影響較小，為優化反硝化過程提供參考。  

 

2 NO積累曲線數據：來自圖4，顯示NO濃度在喂養后迅速增加后逐漸下降，峰值在饑餓12小時時達6.81 mg/L。研究意義是揭示饑餓時間導致電子分布不平衡，從而促進NO積累，幫助理解反硝化中間產物的動態變化。  

 

3 N2O積累曲線數據：來自圖4，顯示N2O積累分為外源反硝化和內源反硝化兩個階段，峰值在饑餓5小時時最高。研究意義是表明N2O積累受FNA抑制、電子競爭和饑餓時間影響，為控制N2O排放提供依據。  

4 微生物群落結構數據：來自圖6，顯示主要菌門為Proteobacteria（55.79%）和Planctomycetes（19.4%），主要菌屬為Phycisphaera（17.7%）、Thauera（14.52%）等反硝化菌。研究意義是從微生物角度解釋污染物去除和NO/N2O產生的機制，確認反硝化菌的主導作用。  

 

結論  

1 NO積累發生在喂養初始階段，饑餓12小時時最大積累達6.81 mg/L，主要由于饑荒后的盛宴導致Nir和Nor電子分布不平衡。  

2 N2O積累受FNA抑制、電子競爭和饑餓時間影響，外源反硝化階段N2O還原率隨饑餓時間延長而降低。  

3 饑餓時間對NO積累的影響比N2O更顯著，適度饑餓（如12小時）促進積累，但過長饑餓（24小時）降低微生物活性。  

4 系統中主要有反硝化菌和COD消耗菌，如Thauera和Comamonas，它們在污染物去除和NO/N2O產生還原中起關鍵作用。  

 

使用丹麥Unisense電極測量數據的研究意義  

使用丹麥Unisense電極測量數據的研究意義在于其高精度實時監測能力，能夠捕捉溶解N2O和NO的動態變化，響應時間僅10秒。在研究中，電極數據（來自圖4）揭示了NO和N2O的積累曲線，顯示NO峰值在喂養后迅速出現，且隨饑餓時間變化，這幫助量化電子分布不平衡的影響。同時，檢測到DO增加與NO積累相關，推測與NO歧化有關，這提供了對NO轉化機制的深入見解，如可能生成N2和O2。此外，高分辨率數據允許準確計算NO和N2O的生產率和還原率，從而驗證FNA抑制和電子競爭的作用，為減少反硝化過程中溫室氣體排放提供理論支持。