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Pathways and Controls of N2O Production in Nitritation-Anammox Biomass
硝化-厭氧氨氧化生物質中N2O生產途徑與控制
來源：Environmental Science & Technology, 2017, Volume 51, Pages 8981-8991
《環境科學與技術》，2017年，第51卷，8981-8991頁
摘要
摘要部分闡述了研究通過使用新型穩定同位素標記方法（15N和18O）調查了從全規模硝化-厭氧氨氧化反應器中取出的生物質中N2O生產的途徑和控制因素。實驗表明，在好氧條件下（≥0.2 mg O2 L-1），異養反硝化是N2O的可忽略來源。羥基胺氧化和硝化菌反硝化在廣泛的O2、NH4+和NO2-濃度條件下都對N2O積累有顯著貢獻。O2濃度對凈N2O生產施加了最強控制，兩種生產途徑在低O2下均被刺激，且與NO2-濃度無關。低O2下羥基胺氧化對N2O生產的刺激是意外的，表明可能涉及多個酶途徑。羥基胺氧化的N2O生產進一步被NH4+刺激，而低O2水平下的硝化菌反硝化被低至0.2 mM的NO2-刺激。研究顯示15N和18O同位素標記是直接量化N2O生產途徑的有用方法，適用于多種環境。
研究目的
研究的主要目的是分析N2O生產的途徑并系統評估O2、NO2-和NH4+濃度對從全規模單級硝化-厭氧氨氧化反應器中取出的混合培養生物質中N2O生產的影響，以建立有效的N2O減排策略。通過區分N2O生產機制及其控制因素，為優化污水處理過程提供基礎。
研究思路
研究思路包括使用從全規模硝化-厭氧氨氧化反應器（ANITA Mox移動床生物膜反應器）中取出的生物膜樣本，通過15N標記的NH4+、NO2-或NO3-以及18O標記的O2進行孵育實驗，監測15N標記和未標記產物。采用氣相色譜-同位素比質譜法（GC-IRMS）分析N2和N2O的同位素組成，計算N2O生產途徑（羥基胺氧化和硝化菌反硝化/異養反硝化）的貢獻。實驗系統性地改變了O2、NO2-和NH4+濃度，以評估這些因素對N2O生產途徑的影響，并利用qPCR分析微生物群落結構。
測量的數據及研究意義
1 O2濃度對N2O生產速率的影響數據：來自Figure 1A和Table 2。數據顯示凈N2O生產速率與O2濃度呈負相關，低O2（如0.2 mg L-1）刺激羥基胺氧化和硝化菌反硝化途徑。研究意義在于確認O2是控制N2O生產的關鍵因素，低O2條件會顯著增加N2O排放，這指導了通過調節曝氣策略來減排N2O。
2 NO2-濃度對N2O生產途徑的影響數據：來自Figure 1B。數據顯示硝化菌反硝化途徑的N2O生產與NO2-濃度正相關，在低O2下飽和于約0.5 mM NO2-，而羥基胺氧化途徑不受NO2-影響。研究意義在于揭示了NO2-可用性在低O2下限制硝化菌反硝化，強調了控制NO2-積累對減少N2O的重要性。
3 NH4+濃度對N2O生產的影響數據：來自Figure 1C和Table 2。數據顯示NH4+增加刺激羥基胺氧化途徑的N2O生產，而硝化菌反硝化貢獻較小。研究意義在于表明高NH4+負載會直接通過羥基胺氧化增加N2O產量，提示需優化NH4+輸入以降低排放。
4 N2O生產途徑分區數據：來自同位素配對計算（基于15N和18O標記），顯示羥基胺氧化和硝化菌反硝化在多種條件下的貢獻比例。研究意義在于提供了直接量化途徑的方法，有助于理解動態過程并開發靶向控制策略。
5 微生物群落數據：來自qPCR分析，顯示氨氧化細菌和厭氧氨氧化細菌為優勢群，反硝化基因豐富。研究意義在于將微生物組成與功能關聯，支持途徑分析的可信度。
結論
1 O2濃度對N2O生產有最強影響，低O2刺激羥基胺氧化和硝化菌反硝化途徑，導致N2O排放增加。
2 羥基胺氧化和硝化菌反硝化都是N2O的重要來源，貢獻程度受O2、NO2-和NH4+濃度調節，其中羥基胺氧化在低O2和高NH4+下占主導。
3 異養反硝化在好氧條件下對N2O貢獻可忽略，但在缺氧條件下可能顯著。
4 通過優化O2濃度（避免低O2）和控制NH4+及NO2-負載，可以最小化硝化-厭氧氨氧化系統中的N2O排放。
使用丹麥Unisense電極測量數據的研究意義
在研究中，丹麥Unisense電極用于測量氧化還原電位（ORP）和溶解氧（DO），以高精度監測生物膜內和主體水中的微環境變化。具體而言，Unisense微電極系統（包括RD 50微電極和REF 5000參考電極）與微操縱器結合，實現了生物膜內不同深度的ORP和DO剖面測量（如Methods部分所述）。這些數據提供了微生物代謝活動的實時信息，例如低O2條件下ORP的波動反映了好氧/缺氧交替，從而關聯到代謝解偶聯和N2O生產途徑的激活。Unisense電極的高分辨率和靈敏度確保了ORP和DO測量的可靠性，支持了O2濃度作為關鍵控制參數的結論。此外，這些測量幫助驗證了同位素標記結果，增強了途徑分區的準確性。因此，Unisense電極技術是理解N2O生產機制和開發實時控制策略的重要工具，為優化污水處理過程提供了實驗基礎。