Effect of organic carbons on microbial activity and structure in denitrifying systems acclimated to nitrite as the electron acceptor

有機碳對以亞硝酸鹽為電子受體的反硝化系統中微生物活性和結構的影響

來源：International Biodeterioration & Biodegradation, Volume 118, 2017, Pages 66-72

《國際生物劣化與生物降解》，第118卷，2017年，頁碼66-72

 

摘要

這篇論文研究了以亞硝酸鹽為電子受體的反硝化系統中，不同有機碳源（乙酸鈉、丙酸鈉、蛋白胨和淀粉）對微生物活性、群落結構及氧化亞氮（N2O）生產和排放的影響。摘要指出，使用簡單有機碳（乙酸鈉和丙酸鈉）時，亞硝酸鹽氮（NO2-N）去除效率高（99.75%和99.92%），反硝化速率快（102.32和59.43 mg N/(g MLVSS·h)），N2O產量低（峰值0.0200和0.0281 mg/L）；而使用復雜有機碳（蛋白胨和淀粉）時，NO2-N去除效率較低（85.71%和92.47%），反硝化速率慢（11.79和6.51 mg N/(g MLVSS·h)），但N2O產量高（峰值1.3772和5.8879 mg/L）。游離亞硝酸（FNA）濃度影響N2O轉化率，最高達62.67%。微生物分析顯示Thauera為主要反硝化菌屬。

 

研究目的

研究目的是探討不同有機碳類型對以亞硝酸鹽為電子受體的反硝化系統性能的影響，包括反硝化活性、N2O排放特性以及微生物群落結構變化，以優化工藝減少溫室氣體排放。

 

研究思路

研究思路首先建立四個序批式反應器（SBR），分別以乙酸鈉、丙酸鈉、蛋白胨和淀粉為碳源，長期運行馴化反硝化污泥。通過監測NO2-N去除效率、反硝化速率和N2O生產排放，評估系統性能。進行批次實驗測試不同初始FNA濃度對反硝化活性和N2O生產的影響。利用高通量測序分析微生物群落結構，結合Unisense N2O微傳感器在線監測N2O濃度，從宏觀和微觀角度解析碳源的影響機制。

 

測量的數據及研究意義

1 NO2-N去除效率和反硝化速率數據：測量了不同碳源下NO2-N去除效率（99.75%、99.92%、85.71%、92.47%）和反硝化速率（102.32、59.43、11.79、6.51 mg N/(g MLVSS·h)），來自表1。研究意義是證實簡單有機碳促進高效反硝化，而復雜碳源導致速率降低，為碳源選擇提供依據，以優化脫氮效率。

 

2 N2O生產和排放峰值數據：記錄了不同碳源下N2O生產峰值（0.0200、0.0281、1.3772、5.8879 mg/L）和排放峰值（0.0122、0.0084、0.0182、0.6811 mg/L），來自正文結果部分。研究意義是顯示復雜碳源顯著增加N2O排放，突出FNA的抑制作用，強調控制碳源類型以減少溫室氣體。

3 FNA對N2O轉化率影響數據：分析了初始FNA濃度（0.0003-2.2637 mg/L）與N2O轉化率（最高62.67%）的關系，來自表2。研究意義是揭示FNA抑制N2O還原酶活性，導致N2O積累，為調控pH和亞硝酸鹽濃度以降低排放提供理論依據。

 

4 微生物群落結構數據：通過16S rRNA測序發現Thauera為主要反硝化菌屬（比例19.8%、19.0%、2.6%、10.7%），來自正文和微生物群落分析部分。研究意義是闡明碳源影響菌群組成，簡單碳源富集Thauera增強反硝化，復雜碳源降低其比例，增加N2O風險，指導微生物管理。

 

結論

有機碳類型顯著影響反硝化活性和N2O排放，簡單碳源（如乙酸鈉）促進高效脫氮且N2O產量低，而復雜碳源（如淀粉）導致高N2O排放。FNA是N2O積累的關鍵因素，Thauera是主要反硝化菌屬。優化碳源選擇和FNA控制可減少溫室氣體排放。

 

使用丹麥Unisense電極測量數據的研究意義

使用丹麥Unisense N2O微傳感器測量水相N2O數據的研究意義在于實現了高精度在線實時監測，能夠動態捕捉反硝化過程中N2O的瞬時變化。該傳感器檢測限低（0.0028 mg N2O-N/L），可準確測量低濃度N2O，避免了傳統采樣帶來的誤差。通過實時數據（如批次實驗中N2O濃度峰值時間曲線），能夠精確量化FNA抑制下N2O積累速率，區分不同碳源的影響機制。例如，數據顯示復雜碳源下N2O排放延遲峰值，揭示了碳代謝緩慢導致的持續抑制效應。這種原位監測技術為理解反硝化途徑動態提供了直接證據，支持優化操作參數以減少N2O排放。