Modulation of Nitrous Oxide (N2O) Accumulation by Primary Metabolites in Denitrifying Cultures Adapting to Changes in Environmental C and N

反硝化培養物適應環境碳氮變化時一氧化二氮積累的初級代謝物調節

來源：Environmental Science & Technology, 2017, Volume 51, Pages 13678-13688

《環境科學與技術》，2017年，第51卷，13678-13688頁

 

摘要

摘要部分闡述了研究使用代謝組學和基因組基礎的代謝網絡模型調查反硝化細菌中一氧化二氮（N2O）積累的調節。實驗在四種條件下進行：初始COD:N比為11:1和4:1，有和沒有亞硝酸鹽添加（28 mg-N/L）。只有添加亞硝酸鹽的培養物積累N2O。初始COD:N=11:1的亞硝酸鹽添加培養物積累的N2O占總氮的3.3±0.57%，并含有大量三羧酸循環中間體和氨基酸池；而初始COD:N=4:1的亞硝酸鹽添加培養物積累更高N2O（8.5±0.9%），這與C11-C20脂肪酸耗盡相關。代謝模型分析顯示，在COD:N=4:1時，反硝化細胞通過飽和脂肪酸的β-氧化緩慢產生電子等效物如FADH2，而COD:N=11:1時通過TCA循環產生。結合亞硝酸鹽沖擊，這延長了電子等效物不足的時間，導致N2O積累增加。結果擴展了理解有機碳和亞硝酸鹽負荷如何調節反硝化中N2O積累，有助于設計控制農業土壤或污水處理系統溫室氣體排放的策略。

 

研究目的

研究的主要目的是調查反硝化細菌中細胞內代謝物如何調節N2O積累，特別是在環境碳和氮變化條件下。通過代謝組學和代謝網絡建模，研究旨在理解初級代謝物在N2O生產途徑中的作用，并識別關鍵代謝調節因子，以揭示N2O積累的機制，為減少N2O排放提供見解。

 

研究思路

研究思路包括進行反硝化批次培養實驗，測試四種條件：兩種初始COD:N比（11:1和4:1），各有和沒有亞硝酸鹽添加。使用代謝組學（GC-MS）分析細胞內代謝物譜，并應用基因組基礎的代謝網絡模型估計代謝通量。通過實時測量N2O和亞硝酸鹽濃度（使用微傳感器），結合化學分析，量化N2O積累和代謝變化。數據通過統計方法（如PLS-DA、ANOVA）和途徑活性分析（PAPi算法）處理，以識別代謝途徑的調節作用，并利用通量平衡分析模擬電子流，從而揭示N2O積累的代謝基礎。

 

測量的數據及研究意義

1 N2O積累數據：來自Figure 1和Table 1。數據顯示亞硝酸鹽添加條件下N2O濃度動態和積累率，如COD:N=4:1時N2O積累更高（8.5±0.9%總氮）。研究意義在于直接量化了碳限制和亞硝酸鹽沖擊對N2O排放的協同效應，證實了環境條件如何通過影響電子等效物可用性觸發N2O積累，為優化反硝化過程減少溫室氣體提供依據。

 

 

2 代謝物相對豐度數據：來自Figure 2。通過熱圖和散點圖顯示不同條件下代謝物（如TCA循環中間體、氨基酸、脂肪酸）的豐度變化，例如COD:N=11:1時代謝物池更豐富。研究意義在于揭示了細胞內C:N平衡如何調節代謝途徑，特定代謝物（如脂肪酸）耗盡與N2O積累相關，強調了代謝表型在N2O生產中的關鍵作用，有助于靶向代謝工程干預。

 

3 途徑活性評分數據：來自Figure 3。顯示亞硝酸鹽添加后代謝途徑（如脂肪酸降解、TCA循環）活性的變化，例如COD:N=4:1時脂肪酸降解上調。研究意義在于將代謝物變化與途徑功能鏈接，識別了電子等效物產生途徑的差異，解釋了碳可用性如何通過β-氧化或TCA循環影響N2O積累，為模型預測和過程控制提供基礎。

 

4 代謝通量數據：來自Figure 4。通過通量平衡分析估計電子流速率，如COD:N=11:1時通過TCA循環的電子傳遞速率更高。研究意義在于量化了代謝反應速率，顯示了亞硝酸鹽添加如何改變電子分配，導致Nos酶活性抑制和N2O積累，增強了對反硝化途徑動力學的理解，支持減排策略開發。

 

 

結論

1 N2O積累受碳可用性和亞硝酸鹽添加的協同影響，碳限制（COD:N=4:1）結合亞硝酸鹽沖擊導致更高N2O積累，因電子等效物產生緩慢延長了不完全反硝化持續時間。

2 代謝物譜顯示，碳豐富條件下TCA循環和氨基酸合成活躍，而碳限制時脂肪酸β-氧化主導電子產生，這調節了電子等效物可用性，直接影響N2O還原效率。

3 亞硝酸鹽通過抑制N2O還原酶（Nos）和改變代謝途徑活性（如上調脂肪酸降解）加劇N2O積累，表明細胞內C:N平衡是N2O產生的關鍵調節因子。

4 研究強調了在污水處理和農業中避免碳饑餓和亞硝酸鹽積累的重要性，以最小化N2O排放，并通過代謝模型為優化操作條件提供了理論框架。

 

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（如Clark型N2O-R和NOx-微傳感器）被用于實時測量溶解N2O和亞硝酸鹽濃度，數據記錄頻率高（如每30秒）。這些電極提供高分辨率時間序列數據，使研究人員能夠精確量化N2O積累動態（如Figure 1所示的濃度曲線）和凈生產速率。Unisense電極的測量意義在于實現了對反硝化過程中N2O生成的實時監控，捕捉了亞硝酸鹽添加后的瞬時變化，從而驗證了環境擾動（如碳氮變化）對N2O排放的即時影響。此外，這些數據與代謝組學結合，幫助關聯了物理化學參數與代謝響應，為模型校準（如通量平衡分析）提供了可靠輸入，增強了N2O積累機制理解的實驗基礎。因此，Unisense電極技術是研究溫室氣體動態和開發實時控制策略的關鍵工具。