Effect of fulvic acids with different characteristics on biological denitrification

不同特性腐殖酸對生物反硝化的影響

來源：RSC Advances, Volume 6, 2016, Pages 14993-15001

《RSC 進展》，第6卷，2016年，第14993-15001頁

 

摘要

摘要部分闡述了研究調(diào)查了三種不同化學組成、結(jié)構(gòu)、疏水性和芳香度的腐殖酸（SAFA、SRFA和PPFA）對廢水生物反硝化的影響。發(fā)現(xiàn)SAFA顯著增強了反硝化性能，而SRFA和PPFA無明顯效果。機制研究表明，SAFA通過刺激糖酵解關(guān)鍵酶（已糖激酶、6-磷酸果糖激酶、甘油醛-3-磷酸脫氫酶和丙酮酸激酶）的活性，改善了碳源（葡萄糖）的代謝。葡萄糖利用的增加導致細胞內(nèi)NADH/NAD+比率升高，有利于微生物反硝化。同時，SAFA顯著促進了細菌生長。進一步研究顯示，SAFA還提高了關(guān)鍵反硝化酶（硝酸鹽還原酶、亞硝酸鹽還原酶、一氧化氮還原酶和氧化亞氮還原酶）的活性，從而增強了硝酸鹽的還原及其中間產(chǎn)物（尤其是亞硝酸鹽和氧化亞氮）的轉(zhuǎn)化。SAFA的這些正面效應(yīng)可能歸因于其較低的分子量、較少復雜的芳香結(jié)構(gòu)（以脂肪族碳為主）以及比SRFA和PPFA更高的親水性，這使其能通過調(diào)節(jié)代謝過程與反硝化微生物更積極地相互作用。更好地了解腐殖酸分子結(jié)構(gòu)與微生物反硝化活性之間的關(guān)系可能對自然生態(tài)中的氮循環(huán)具有實際意義。

 

研究目的

研究目的是調(diào)查不同特性的腐殖酸對微生物反硝化的影響，因為腐殖酸的特性（如化學組成、結(jié)構(gòu)和功能團）隨來源變化，但之前關(guān)于腐殖酸對反硝化微生物影響的研究較少。具體目標是比較三種腐殖酸（SAFA、SRFA和PPFA）對反硝化性能的影響，并探討其機制，包括碳源代謝、還原力生成、細胞增殖和反硝化酶活性。

 

研究思路

研究思路包括使用反硝化細菌Paracoccus denitrificans作為模型微生物，在厭氧條件下進行微觀實驗。首先，通過元素分析、FTIR、熒光EEM和13C-NMR分析三種腐殖酸的特性。然后，測試不同濃度（0、10和50 mg L?1）的腐殖酸對反硝化性能的影響，測量硝酸鹽、亞硝酸鹽、N2O和葡萄糖的濃度變化。機制方面，評估腐殖酸對葡萄糖代謝關(guān)鍵酶活性、NADH/NAD+比率、細菌生長和反硝化酶活性的影響。使用丹麥Unisense微傳感器測量NO和N2O濃度以計算酶活性。數(shù)據(jù)通過統(tǒng)計方法分析顯著性。

 

測量的數(shù)據(jù)及研究意義

1 硝酸鹽濃度變化數(shù)據(jù)：來自Fig. 3a和b，顯示SAFA顯著降低硝酸鹽濃度，而SRFA和PPFA效果不明顯。研究意義是直接證明SAFA能增強硝酸鹽還原效率，幫助理解腐殖酸對反硝化過程的直接影響。

 

2 亞硝酸鹽濃度變化數(shù)據(jù)：來自Fig. 3c和d，顯示SAFA減少亞硝酸鹽積累，而SRFA和PPFA無顯著影響。研究意義是表明SAFA能促進中間產(chǎn)物轉(zhuǎn)化，降低毒性亞硝酸鹽的積累風險。

3 N2O生成數(shù)據(jù)：來自Fig. 3e和f，顯示SAFA降低N2O產(chǎn)量，而SRFA和PPFA略有減少。研究意義是評估腐殖酸對溫室氣體排放的控制，SAFA能減輕反硝化的環(huán)境負面影響。

4 葡萄糖利用率數(shù)據(jù)：來自Fig. 4b，顯示SAFA提高葡萄糖消耗，而SRFA和PPFA無變化。研究意義是揭示SAFA通過增強碳源代謝為反硝化提供更多能量和還原力。

 

5 糖酵解關(guān)鍵酶活性數(shù)據(jù)：來自Fig. 4c，顯示SAFA刺激已糖激酶、6-磷酸果糖激酶、甘油醛-3-磷酸脫氫酶和丙酮酸激酶的活性。研究意義是闡明SAFA改善葡萄糖代謝的分子機制，間接促進反硝化。

6 NADH/NAD+比率數(shù)據(jù)：來自Fig. 4d，顯示SAFA提高細胞內(nèi)NADH/NAD+比率。研究意義是表明SAFA創(chuàng)造更還原的環(huán)境，利于氮化合物的還原。

7 細菌生長數(shù)據(jù)：來自Fig. 5，顯示SAFA促進P. denitrificans的生長，而SRFA和PPFA無影響。研究意義是證明SAFA能增強微生物增殖，可能提高反硝化效率。

 

8 反硝化酶活性數(shù)據(jù)：來自Fig. 6，顯示SAFA提高硝酸鹽還原酶、亞硝酸鹽還原酶、一氧化氮還原酶和氧化亞氮還原酶的活性。研究意義是直接說明SAFA通過增強酶活性加速氮轉(zhuǎn)化，減少中間產(chǎn)物積累。

 

 

結(jié)論

1 SAFA顯著增強反硝化性能，減少亞硝酸鹽和N2O積累，而SRFA和PPFA效果有限。

2 SAFA的正面效應(yīng)歸因于其較低分子量、較少復雜芳香結(jié)構(gòu)（以脂肪族碳為主）和更高親水性，使其能更有效地與微生物相互作用。

3 機制上，SAFA通過刺激糖酵解酶活性提高葡萄糖代謝和NADH/NAD+比率，并增強反硝化酶活性，從而改善反硝化。

4 研究強調(diào)了腐殖酸特性對微生物反硝化的重要性，對自然氮循環(huán)和廢水處理有應(yīng)用價值。

 

使用丹麥Unisense電極測量數(shù)據(jù)的研究意義

使用丹麥Unisense微傳感器測量的NO和N2O濃度數(shù)據(jù)用于計算一氧化氮還原酶（NOR）和氧化亞氮還原酶（N2OR）的活性（在方法部分描述）。這些數(shù)據(jù)的研究意義在于提供高精度、實時的反硝化中間產(chǎn)物監(jiān)測，從而準確評估酶活性。例如，在Fig. 6中，傳感器數(shù)據(jù)幫助量化NOR和N2OR的活性，顯示SAFA能顯著提高這些酶的活性，加速NO和N2O的還原，減少有害中間產(chǎn)物的積累。這證實了傳感器在揭示腐殖酸調(diào)節(jié)反硝化路徑中的關(guān)鍵作用，為理解微生物代謝機制提供了直接證據(jù)，并有助于優(yōu)化反硝化過程以減少溫室氣體排放。