Enrichment of a denitratating microbial community through kinetic limitation

通過動(dòng)力學(xué)限制富集反硝化微生物群落

來源：Environment International 161 (2022) 107113

 

摘要核心內(nèi)容

 

本研究通過調(diào)控污泥停留時(shí)間（SRT）實(shí)現(xiàn)動(dòng)力學(xué)限制，成功富集了以反硝化菌（denitratating bacteria）為主的微生物群落，實(shí)現(xiàn)了硝酸鹽（NO??）選擇性還原為亞硝酸鹽（NO??）的過程（即反硝化）。核心發(fā)現(xiàn)包括：

 

最佳SRT條件：SRT=3.0天時(shí)，亞硝酸鹽積累率（NAR）最高（65±14%），微生物群落以Thauera為主（80%豐度），且亞硝酸鹽還原酶基因（nirS/nirK）表達(dá)最低（圖4）。

 

 

動(dòng)力學(xué)限制機(jī)制：短SRT（1.5天）導(dǎo)致NO??積累（NRR=60±10%），長SRT（15.0天）促進(jìn)完全反硝化（N?O積累達(dá)1.5 mg/L）；SRT=3.0天時(shí)，反硝化速率（sDNaR=135.3 mg-N/g-VSS/h）最高而亞硝酸鹽還原速率（sDNiR=14.9 mg-N/g-VSS/h）最低（表1）。

 

溫室氣體排放：長SRT下溶解N?O積累顯著（圖2），證實(shí)SRT通過調(diào)控微生物代謝途徑（而非僅傳質(zhì)）影響N?O產(chǎn)生。

 

 

研究目的

 

量化動(dòng)力學(xué)限制的影響：探究SRT對(duì)NO??積累（反硝化）的調(diào)控作用。

 

解析微生物群落響應(yīng)：揭示不同SRT下反硝化功能菌群的演替規(guī)律。

 

優(yōu)化工藝參數(shù)：確定實(shí)現(xiàn)高效反硝化的最佳SRT及微生物群落結(jié)構(gòu)。

 

研究思路與技術(shù)路線

 

采用 “中試SBR反應(yīng)器+控制變量法”：

 

實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)：

 

3組SBR反應(yīng)器，SRT分別設(shè)為1.5天、3.0天、15.0天。

 

固定進(jìn)水COD:NO??-N=3:1（甘油為碳源），HRT=1天。

 

運(yùn)行74天，監(jiān)測水質(zhì)、微生物群落及基因表達(dá)。

 

分析方法：

 

水質(zhì)指標(biāo)：NO??、NO??、N?O（Unisense電極實(shí)時(shí)監(jiān)測溶解態(tài)N?O）。

 

微生物群落：16S rRNA測序（圖3）、qPCR定量nirS/nirK基因（圖4）。

 

動(dòng)力學(xué)參數(shù)：比硝酸鹽還原速率（sDNaR）、比亞硝酸鹽還原速率（sDNiR）（表1）。

 

關(guān)鍵數(shù)據(jù)及研究意義

1. 氮轉(zhuǎn)化性能（圖1）

 

數(shù)據(jù)：

 

SRT=3.0天時(shí)，NAR（亞硝酸鹽積累率）最高（62±13%），NRR（硝酸鹽去除率）達(dá)96±3%。

 

SRT=1.5天時(shí)NO??積累顯著（NRR=60±10%）；SRT=15.0天時(shí)N?O積累升高（圖2）。

 

意義：證實(shí)SRT是調(diào)控反硝化效率的關(guān)鍵參數(shù)，短SRT（3.0天）優(yōu)化了NO??積累。

 

2. 微生物群落結(jié)構(gòu)（圖3）

 

數(shù)據(jù)：

 

SRT=3.0天時(shí)Thauera相對(duì)豐度達(dá)80%（vs. 1.5天29%，15.0天23%）。

 

長SRT（15.0天）富集完全反硝化菌（如Saccharibacteria）。

 

意義：Thauera作為反硝化功能菌，其富集是高效NO??積累的微生物學(xué)基礎(chǔ)。

 

3. 功能基因表達(dá)（圖4）

 

數(shù)據(jù)：

 

SRT=3.0天時(shí)nirS/nirK轉(zhuǎn)錄量最低（較其他SRT低1-2個(gè)數(shù)量級(jí)）。

 

nirS型反硝化菌占主導(dǎo)（轉(zhuǎn)錄量＞nirK）。

 

意義：低亞硝酸鹽還原酶表達(dá)是NO??積累的直接分子證據(jù)。

 

4. 動(dòng)力學(xué)參數(shù)（表1）

 

數(shù)據(jù)：

 

SRT=3.0天時(shí)sDNaR最高（135.3 mg-N/g-VSS/h），sDNiR最低（14.9 mg-N/g-VSS/h）。

 

短SRT（1.5天）觀測產(chǎn)率（Y）最高（0.63 mg-COD/mg-COD）。

 

意義：sDNaR/sDNiR比值是量化反硝化能力的直接指標(biāo)。

 

核心結(jié)論

 

最佳SRT：SRT=3.0天可實(shí)現(xiàn)高效反硝化（NAR=62±13%），富集Thauera（80%豐度）并抑制nirS/nirK表達(dá)。

 

微生物機(jī)制：短SRT（1.5天）富集截短反硝化菌（如Flavobacterium），長SRT（15.0天）富集完全反硝化菌，均不利于NO??積累。

 

N?O排放：長SRT下溶解N?O積累顯著（1.5 mg/L），源于完全反硝化菌的代謝活性（圖2）。

 

Unisense電極數(shù)據(jù)的專項(xiàng)解讀

技術(shù)原理與實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

 

Unisense N?O微電極：

 

測量原理：電化學(xué)傳感，實(shí)時(shí)監(jiān)測溶解態(tài)N?O濃度（μg-N/L）。

 

安裝位點(diǎn)：SBR反應(yīng)器內(nèi)，連續(xù)監(jiān)測缺氧反應(yīng)期溶解N?O動(dòng)態(tài)（圖2）。

 

校準(zhǔn)方法：預(yù)極化后，以N?飽和（零點(diǎn)）和N?O飽和（量程）溶液校準(zhǔn)。

 

關(guān)鍵發(fā)現(xiàn)與機(jī)制解析

 

SRT對(duì)N?O動(dòng)態(tài)的影響（圖2）：

 

SRT=1.5天：COD投加后溶解N?O瞬時(shí)升高（<0.2 mg/L），隨后快速還原，表明截短反硝化菌的瞬時(shí)代謝。

 

SRT=15.0天：持續(xù)N?O積累（峰值1.5 mg/L），反映完全反硝化菌的活躍亞硝酸鹽還原。

 

代謝途徑關(guān)聯(lián)：

 

短SRT下N?O能被有效還原（圖2a），證實(shí)低SRT富集菌群具有強(qiáng)N?O還原能力。

 

長SRT下N?O積累與高sDNiR（表1）耦合，揭示完全反硝化菌的代謝瓶頸。

 

研究意義

 

工藝優(yōu)化：Unisense數(shù)據(jù)直接驗(yàn)證SRT=3.0天可實(shí)現(xiàn)低N?O排放（<0.2 mg/L），為低碳脫氮提供依據(jù)。

 

機(jī)制深化：溶解N?O動(dòng)態(tài)揭示了SRT通過調(diào)控微生物代謝途徑（而非僅傳質(zhì)）影響N?O產(chǎn)生。

 

技術(shù)優(yōu)勢：高分辨率實(shí)時(shí)監(jiān)測為反硝化過程的代謝通量解析提供了不可替代的工具。

 

總結(jié)：本研究通過Unisense電極首次捕捉到反硝化過程中溶解N?O的瞬態(tài)變化，證實(shí)SRT=3.0天可同步優(yōu)化NO??積累與N?O減排，為耦合反硝化-厭氧氨氧化工藝的設(shè)計(jì)提供了理論和技術(shù)支撐。