Immobilization of Azospira sp. strain I13 by gel entrapment for mitigation of N2O from biological wastewater treatment plants: Biokinetic characterization and modeling

通過凝膠固定化Azospira sp. strain I13以減少生物廢水處理廠N2O排放：生物動力學(xué)表征與建模

來源：Journal of Bioscience and Bioengineering, Volume 126, Issue 2, 2018, Pages 213-219

《生物科學(xué)與生物工程雜志》，第126卷第2期，2018年，第213-219頁

 

摘要

摘要部分闡述了本研究通過鈣藻酸鹽凝膠固定化nosZ clade II型N2O還原細(xì)菌Azospira sp. strain I13，驗(yàn)證了其在有氧和無氧條件下減少N2O的有效性。固定化細(xì)胞在體相液體溶解氧濃度高達(dá)100μM時仍能進(jìn)行N2O還原，最大表觀N2O攝取率（V'm.N2O）保留了細(xì)胞懸浮液的72%。凝膠固定化增加了表觀N2O半飽和常數(shù)（K/m.N2O）和表觀O2抑制常數(shù)（K/），表明O2抗性增強(qiáng)。采用擴(kuò)散和反應(yīng)機(jī)制模型描述了實(shí)驗(yàn)觀察，并通過Thiele模數(shù)確定了有氧條件下實(shí)現(xiàn)N2O還原的合適凝膠尺寸。

 

研究目的

研究目的是開發(fā)一種減少生物廢水處理廠N2O排放的策略，通過固定化N2O還原細(xì)菌形成生物膜，以緩解氧氣（O2）對細(xì)菌代謝活性的抑制，并評估固定化技術(shù)的可行性和優(yōu)化凝膠設(shè)計，為實(shí)際應(yīng)用提供理論依據(jù)。

 

研究思路

研究思路基于將Azospira sp. strain I13固定化在鈣藻酸鹽凝膠中，在不同O2濃度下測試其N2O還原活性。使用微呼吸系統(tǒng)（如Unisense系統(tǒng)）實(shí)時監(jiān)測O2和N2O濃度動態(tài)，獲取動力學(xué)參數(shù)。通過數(shù)學(xué)模型模擬擴(kuò)散和反應(yīng)過程，分析凝膠尺寸對 anaerobic zone 形成的影響，并優(yōu)化凝膠設(shè)計以實(shí)現(xiàn)有氧條件下的N2O還原。

 

測量的數(shù)據(jù)及研究意義

1 數(shù)據(jù)：O2和N2O濃度隨時間的動態(tài)變化 profiles，來自Fig.1。研究意義：這些數(shù)據(jù)顯示了不同凝膠尺寸（小、中、大）下O2和N2O的消耗模式，證實(shí)固定化細(xì)菌在O2存在時仍能還原N2O，揭示了凝膠內(nèi)部擴(kuò)散限制和反應(yīng)動力學(xué)的相互作用，為模型驗(yàn)證提供基礎(chǔ)。

 

2 數(shù)據(jù)：表觀動力學(xué)參數(shù)（K'm.N2O和V'm.N2O），來自Table 1。研究意義：參數(shù)顯示固定化后K'm.N2O增加（如小凝膠24.0μM vs 懸浮液3.76μM），V'm.N2O保留72%，表明固定化降低了N2O親和力但維持了活性，有助于理解O2抑制的緩解機(jī)制和優(yōu)化固定化條件。

 

3 數(shù)據(jù)：相對N2O消耗率與O2濃度的關(guān)系，來自Fig.2A。研究意義：數(shù)據(jù)表明隨著凝膠尺寸增大，N2O還原活性在更高O2濃度下出現(xiàn)（如大凝膠在140μM O2時活性顯現(xiàn)），證明凝膠尺寸可調(diào)節(jié)O2抗性，指導(dǎo)實(shí)際應(yīng)用中凝膠尺寸選擇以應(yīng)對不同有氧環(huán)境。

 

4 數(shù)據(jù)：模型模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)比較，來自Fig.2B、C、D和Fig.3。研究意義：模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)吻合，驗(yàn)證了擴(kuò)散-反應(yīng)模型的準(zhǔn)確性，并通過Thiele模數(shù)預(yù)測了最小凝膠尺寸（如直徑1.54mm）以確保 anaerobic zone 形成，為凝膠設(shè)計提供理論工具。

 

 

結(jié)論

1 凝膠固定化Azospira sp. strain I13可在有O2存在時有效還原N2O，最大表觀攝取率保留72%，表明固定化技術(shù)能緩解O2抑制。

2 固定化增加了表觀半飽和常數(shù)K'm.N2O和O2抑制常數(shù)K/，增強(qiáng)了細(xì)菌對O2的抗性，但降低了N2O親和力。

3 數(shù)學(xué)模型成功描述了擴(kuò)散和反應(yīng)過程，確定凝膠尺寸（如直徑1.54mm）是關(guān)鍵參數(shù)，用于在有氧條件下形成 anaerobic zone 并激活N2O還原。

4 研究為廢水處理廠N2O減排提供了新策略，通過生物強(qiáng)化固定化細(xì)菌實(shí)現(xiàn)有氧環(huán)境下的N2O消耗。

 

使用丹麥Unisense電極測量數(shù)據(jù)的研究意義

使用丹麥Unisense電極測量數(shù)據(jù)的研究意義在于，其微呼吸系統(tǒng)（如O2和N2O微傳感器）實(shí)現(xiàn)了高精度、實(shí)時監(jiān)測溶解O2和N2O濃度動態(tài)，時間分辨率達(dá)1秒，濃度分辨率達(dá)0.1μM。在本文中，該系統(tǒng)用于測量凝膠內(nèi)部和體相液體的O2和N2O profiles（Fig.1），提供了關(guān)鍵動力學(xué)數(shù)據(jù)。意義包括：首先，它允許在短時間間隔內(nèi)捕獲O2和N2O的同步呼吸動態(tài)，直接驗(yàn)證固定化細(xì)菌在有氧條件下的活性，避免了傳統(tǒng)方法的氣液平衡限制。其次，高分辨率數(shù)據(jù)使能準(zhǔn)確擬合Michaelis-Menten方程，獲取表觀動力學(xué)參數(shù)（如K'm.N2O和V'm.N2O），這些參數(shù)揭示了固定化對底物親和力和O2抑制的影響。最后，這些測量為數(shù)學(xué)模型提供了驗(yàn)證基礎(chǔ)，通過比較實(shí)驗(yàn)和模擬 profiles（Fig.2），優(yōu)化了擴(kuò)散-反應(yīng)模型，從而指導(dǎo)凝膠尺寸設(shè)計。總之，Unisense電極數(shù)據(jù)提供了深入的機(jī)制理解，支持了固定化技術(shù)在有氧廢水處理中應(yīng)用N2O還原細(xì)菌的可行性。