N2O micro-profiles in biofilm from a one-stage autotrophic nitrogen removal system by microelectrode

基于微電極的單級自養脫氮系統生物膜中N2O微剖面研究

來源：Chemosphere, Volume 175, 2017, Pages 482-489

《化學圈》，第175卷，2017年，頁碼482-489

 

摘要

這篇論文研究了單級完全自養脫氮系統生物膜中氧化亞氮（N2O）的排放特性，使用微電極技術進行了分析。摘要指出，生物膜中氮轉化途徑主要包括部分亞硝化和厭氧氨氧化，也包括硝化和異養反硝化。銨氧化細菌反硝化和異養反硝化是N2O產生的主要途徑，羥胺氧化是次要途徑。當同時添加銨和亞硝酸鹽（NH4-N:NO2-N=1:1）時，N2O排放量比僅添加銨時增加約2倍，表明亞硝酸鹽是影響N2O生產的關鍵因素。該研究為減少單級完全自養脫氮系統中N2O生產提供了理論支持。

 

研究目的

研究目的是探討單級完全自養脫氮系統生物膜中N2O的產生途徑和影響因素，通過微電極測量揭示氮轉化過程和N2O排放機制，為優化工藝減少溫室氣體排放提供依據。

 

研究思路

研究思路首先在實驗室規模的序批式生物膜反應器中運行單級完全自養脫氮過程，穩定后采集生物膜樣品。通過設計不同批次實驗（僅加銨、僅加亞硝酸鹽、同時加銨和亞硝酸鹽），使用丹麥Unisense微電極測量生物膜內部溶解氧、銨、亞硝酸鹽、硝酸鹽和N2O的濃度微剖面。結合微生物群落分析，識別N2O產生的主要途徑和關鍵影響因素。

 

測量的數據及研究意義

1 N2O排放速率和總量數據：測量了典型周期中N2O的平均排放速率、總排放量和溶解N2O濃度，來自圖4。研究意義是量化了N2O排放動態，顯示排放峰值與亞硝酸鹽濃度相關，證實亞硝酸鹽積累刺激N2O生產，為控制操作參數減少排放提供數據基礎。

 

2 氮化合物濃度微剖面數據：使用微電極測量了生物膜內溶解氧、銨、亞硝酸鹽、硝酸鹽的濃度空間分布，來自圖5。研究意義是揭示了氮轉化熱點區域，如外層400μm為銨氧化主要區域，幫助理解生物膜內部反應異質性。

 

3 N2O濃度微剖面數據：在不同實驗條件下測量N2O在生物膜中的濃度分布，來自圖6。研究意義是直接比較不同途徑貢獻，顯示同時添加銨和亞硝酸鹽時N2O濃度最高，證明亞硝酸鹽的關鍵作用，闡明AOB反硝化和異養反硝化為主途徑。

 

4 微生物群落數據：通過Illumina測序分析了生物膜中菌門和屬水平分布，來自圖3。研究意義是發現變形菌門和綠彎菌門為優勢菌門，關聯微生物組成與氮轉化功能，支持途徑分析。

 

 

結論

銨氧化細菌反硝化和異養反硝化是生物膜中N2O產生的主要途徑，羥胺氧化為次要途徑。亞硝酸鹽是N2O生產的關鍵影響因素，其存在顯著增加排放量。單級完全自養脫氮系統中優化亞硝酸鹽控制和溶解氧水平可減少N2O排放。

 

使用丹麥Unisense電極測量數據的研究意義

使用丹麥Unisense微電極測量數據的研究意義在于實現了生物膜內部的高空間分辨率原位監測，能夠精確捕捉氮化合物和N2O的微觀分布。微電極系統（如溶解氧、銨、亞硝酸鹽、硝酸鹽和N2O微電極）具有微小尖端（10-25μm）和快速響應（10-30秒），可直接測量生物膜不同深度的濃度梯度，避免了傳統取樣的破壞性。通過濃度微剖面（如圖5和圖6），可以計算凈消耗或生產速率，識別反應熱點區域（如外層400μm為銨氧化區）。這提供了直接證據區分N2O產生途徑（如AOB反硝化與異養反硝化），并證實亞硝酸鹽的促進作用。這種微觀視角彌補了宏觀測量的不足，為理解生物膜內部反應機制和優化脫氮工藝提供了關鍵依據，最終支持減少溫室氣體排放的實踐策略。