Evidence for Nitrous Oxide Emissions by Nitrite-Dependent Anaerobic Methane Oxidizing Bacteria

依賴亞硝酸鹽的厭氧甲烷氧化細(xì)菌排放一氧化二氮的證據(jù)

來源：Environ. Sci. Technol. 2023, 57, 16862?16872

 

摘要核心內(nèi)容

 

本研究首次證實(shí)亞硝酸鹽依賴型厭氧甲烷氧化（n-DAMO）細(xì)菌可直接產(chǎn)生氧化亞氮（N?O）。通過富集培養(yǎng)實(shí)驗(yàn)（n-DAMO細(xì)菌占比60%）發(fā)現(xiàn)：

 

N?O與甲烷氧化的耦合：N?O產(chǎn)量隨初始亞硝酸鹽濃度升高而增加（40 mg NO??-N/L時(shí)N?O峰值達(dá)1.74 mg/L，圖1e）。

 

持續(xù)暴露效應(yīng)：當(dāng)亞硝酸鹽濃度維持在5 mg N/L時(shí)，12.5%的亞硝酸鹽被轉(zhuǎn)化為N?O（圖2）。

 

 

基因證據(jù)：宏轉(zhuǎn)錄組分析顯示n-DAMO細(xì)菌的亞硝酸還原酶（nirS）和一氧化氮還原酶（norZ）基因表達(dá)顯著上調(diào)（表1），且無其他菌群顯著表達(dá)nor基因。

 

 

工程驗(yàn)證：在35天生物反應(yīng)器運(yùn)行中，亞硝酸鹽過量時(shí)N?O積累量可達(dá)脫氮量的3.2%（圖4b）。

 

 

核心結(jié)論：過量亞硝酸鹽是驅(qū)動(dòng)n-DAMO細(xì)菌產(chǎn)生N?O的關(guān)鍵因素，需在廢水處理中嚴(yán)格控制亞硝酸鹽水平以減排溫室氣體。

 

研究目的

 

驗(yàn)證n-DAMO細(xì)菌的N?O生產(chǎn)能力：挑戰(zhàn)傳統(tǒng)認(rèn)知（n-DAMO細(xì)菌僅產(chǎn)生N?）。

 

揭示機(jī)制：探究亞硝酸鹽暴露下N?O形成的分子路徑。

 

評(píng)估實(shí)際風(fēng)險(xiǎn)：量化生物反應(yīng)器長(zhǎng)期運(yùn)行中的N?O排放。

 

提出減排策略：基于機(jī)制研究?jī)?yōu)化廢水處理工藝。

 

研究思路與技術(shù)路線

 

采用 富集培養(yǎng)→機(jī)制解析→工程驗(yàn)證 的三步策略：

 

培養(yǎng)體系構(gòu)建：

 

從混合污泥富集n-DAMO細(xì)菌（Candidatus Methylomirabilis oxyfera為主），建立膜上流式反應(yīng)器（MUFR）。

 

機(jī)制解析實(shí)驗(yàn)：

 

批次實(shí)驗(yàn)：測(cè)試不同初始亞硝酸鹽濃度（5–40 mg N/L）對(duì)N?O產(chǎn)量的影響（圖1）。

 

連續(xù)暴露實(shí)驗(yàn)：維持5 mg N/L亞硝酸鹽濃度，監(jiān)測(cè)N?O持續(xù)生成（圖2）。

 

多組學(xué)分析：宏基因組/轉(zhuǎn)錄組解析Ca. M. oxyfera的氮代謝基因表達(dá)（圖3，表1）。

 

 

 

工程驗(yàn)證：

 

35天MUFR運(yùn)行模擬廢水處理，動(dòng)態(tài)調(diào)控亞硝酸鹽負(fù)荷（57.3→114.6 mg N/L·d），監(jiān)測(cè)N?O排放（圖4）。

 

關(guān)鍵數(shù)據(jù)及研究意義

1. 亞硝酸鹽濃度與N?O產(chǎn)量的劑量效應(yīng)（圖1）

 

數(shù)據(jù)：

 

初始亞硝酸鹽濃度從5 mg N/L升至40 mg N/L時(shí)，N?O峰值由0.09 mg/L增至1.74 mg/L（圖1e）。

 

閾值現(xiàn)象：亞硝酸鹽濃度＜3 mg N/L時(shí)N?O停止積累（圖1a-d）。

 

意義：首次量化n-DAMO細(xì)菌的N?O產(chǎn)生閾值，為工藝控制提供臨界值依據(jù)。

 

2. 持續(xù)亞硝酸鹽暴露的N?O積累（圖2）

 

數(shù)據(jù)：

 

維持5 mg N/L亞硝酸鹽濃度540分鐘，N?O線性積累至1.5 mg/L，轉(zhuǎn)化率達(dá)12.5%（圖2）。

 

norZ基因表達(dá)上調(diào)2.3倍（表1），證實(shí)n-DAMO細(xì)菌主導(dǎo)N?O生成。

 

意義：揭示長(zhǎng)期亞硝酸鹽暴露導(dǎo)致持續(xù)N?O排放的風(fēng)險(xiǎn)。

 

3. 生物反應(yīng)器中的N?O排放（圖4b）

 

數(shù)據(jù)：

 

亞硝酸鹽負(fù)荷＞86 mg N/L·d時(shí)，出水N?O濃度達(dá)10.1 mg/L，占脫氮量的3.2%（圖4b）。

 

負(fù)荷降至86 mg N/L·d后，N?O停止積累（圖4b）。

 

意義：驗(yàn)證實(shí)際工藝中亞硝酸鹽波動(dòng)是N?O排放的主因，支撐"精準(zhǔn)控氮"減排策略。

 

4. 基因表達(dá)調(diào)控證據(jù)（表1）

 

數(shù)據(jù)：

 

nirS（亞硝酸還原酶）表達(dá)量增至19,083 TPM（對(duì)照9,878 TPM）。

 

norZ（一氧化氮還原酶）表達(dá)上調(diào)2.3倍，直接關(guān)聯(lián)N?O合成。

 

意義：從分子水平證實(shí)n-DAMO細(xì)菌通過NorZ途徑產(chǎn)生N?O，顛覆"僅產(chǎn)N?"的傳統(tǒng)認(rèn)知。

 

核心結(jié)論

 

n-DAMO細(xì)菌是直接N?O生產(chǎn)者：通過NorZ途徑將NO還原為N?O，且缺乏NosZ基因無法進(jìn)一步還原。

 

亞硝酸鹽是關(guān)鍵觸發(fā)因子：濃度＞3 mg N/L時(shí)激活NorZ，導(dǎo)致N?O積累。

 

工程風(fēng)險(xiǎn)與機(jī)遇：廢水處理中亞硝酸鹽波動(dòng)可致N?O排放（高達(dá)脫氮量3.2%），但嚴(yán)格控制亞硝酸鹽濃度（＜3 mg N/L）可實(shí)現(xiàn)近零排放。

 

Unisense電極數(shù)據(jù)的專項(xiàng)解讀

技術(shù)原理與部署

 

型號(hào)與功能：丹麥Unisense N?O微電極（檢測(cè)限0.1 μM），以20秒/次高頻監(jiān)測(cè)液相N?O動(dòng)態(tài)（Methods 2.2節(jié)）。

 

部署場(chǎng)景：

 

批次反應(yīng)器實(shí)時(shí)捕捉N?O生成曲線（圖1a-d）。

 

連續(xù)流反應(yīng)器同步監(jiān)測(cè)N?O與氮素轉(zhuǎn)化（圖4b）。

 

關(guān)鍵發(fā)現(xiàn)與機(jī)制解析

 

瞬態(tài)響應(yīng)捕捉（圖1a-d）：

 

電極數(shù)據(jù)顯示：亞硝酸鹽投加后5分鐘內(nèi)N?O濃度驟升，證實(shí)n-DAMO細(xì)菌對(duì)底物的快速響應(yīng)能力。

 

閾值驗(yàn)證：當(dāng)亞硝酸鹽降至3 mg N/L時(shí)，N?O立即衰減（圖1a箭頭），明確臨界控制點(diǎn)。

 

持續(xù)暴露的線性積累（圖2）：

 

電極記錄N?O以恒定速率（3.9 mg N/L·d）累積540分鐘，揭示亞硝酸鹽持續(xù)存在時(shí)n-DAMO細(xì)菌的穩(wěn)定產(chǎn)N?O能力。

 

工藝波動(dòng)關(guān)聯(lián)（圖4b）：

 

電極捕捉到亞硝酸鹽負(fù)荷提升至114.6 mg N/L·d時(shí)，N?O濃度24小時(shí)內(nèi)從0升至10.1 mg/L，凸顯工藝調(diào)控對(duì)減排的重要性。

 

研究意義

 

方法學(xué)突破：

 

Unisense電極實(shí)現(xiàn) 秒級(jí)分辨率（20秒/次）的N?O原位監(jiān)測(cè)，克服傳統(tǒng)離線分析的滯后性，精準(zhǔn)量化瞬態(tài)過程（如閾值效應(yīng)）。

 

機(jī)制深度解析：

 

高分辨率數(shù)據(jù)揭示"亞硝酸鹽濃度→norZ表達(dá)→N?O積累"的因果鏈條，為分子機(jī)制提供時(shí)間維度證據(jù)。

 

工程指導(dǎo)價(jià)值：

 

實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)證明將亞硝酸鹽濃度控制在＜3 mg N/L可使N?O排放歸零（圖4b階段IV），為廢水處理廠提供可操作的減排參數(shù)。

 

理論與應(yīng)用價(jià)值

 

修正全球氮循環(huán)模型：n-DAMO細(xì)菌可作為淡水生態(tài)系統(tǒng)的潛在N?O源，需納入溫室氣體預(yù)算模型。

 

廢水處理工藝優(yōu)化：

 

推薦工藝：耦合厭氧氨氧化（anammox）提升亞硝酸鹽去除效率，避免殘留（見4.4節(jié)）。

 

控制策略：實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)亞硝酸鹽濃度并動(dòng)態(tài)調(diào)控負(fù)荷，確保濃度＜3 mg N/L。

 

電極技術(shù)推廣：Unisense微電極適用于生物膜/復(fù)雜混合菌群體系，為界面反應(yīng)研究提供工具支持。

 

總結(jié)：本研究通過Unisense電極量化n-DAMO細(xì)菌的N?O排放規(guī)律，揭示亞硝酸鹽驅(qū)動(dòng)的分子機(jī)制，為廢水處理工藝的溫室氣體減排提供理論依據(jù)與技術(shù)支持。