Enrichment and characterization of autotrophic Thiobacillus denitrifiers from anaerobic sludge for nitrate removal

從厭氧污泥中富集和表征自養硫桿菌反硝化菌用于硝酸鹽去除

來源：Process Biochemistry, Volume 68, 2018, Pages 165-170

《過程生物化學》，第68卷，2018年，第165-170頁

 

摘要

摘要部分闡述了該研究建立了一種高效、經濟的方法從市政污水處理廠的厭氧污泥中富集硫基自養反硝化菌，使用硫代硫酸鹽作為底物在厭氧條件下成功富集，并通過終端限制性片段長度多態性和高通量Illumina測序分析微生物群落演變，發現細菌多樣性顯著減少，Thiobacillus成為優勢屬，自養反硝化速率為21 mg N2-N(gVSd)-1。研究還評估了用富集培養物接種的納米結構 pyrrhotite 填充生物過濾器用于硝酸鹽污染水的處理，在30天試驗中實現了穩定的硝酸鹽還原。摘要指出需要進一步研究該技術同時去除氮和磷的潛力。

 

研究目的

研究目的是開發一種方便、經濟、可靠的方法從厭氧污泥中富集硫基自養反硝化菌，并詳細表征富集培養物的微生物群落結構，評估其反硝化性能，以及在實際生物過濾器中的應用可行性，旨在為硝酸鹽污染水處理提供一種基于自養反硝化的替代方案。

 

研究思路

研究思路首先從厭氧污泥中啟動富集培養，使用硫代硫酸鹽或天然黃鐵礦作為底物，在厭氧條件下進行多次傳代培養。通過分子生物學方法如終端限制性片段長度多態性和Illumina測序跟蹤微生物群落演變，并計算多樣性指數。然后，測定最終富集培養物的反硝化速率，使用氣體產量和離子色譜分析硝酸鹽、亞硝酸鹽和硫酸鹽濃度。最后，將富集培養物接種到流式納米結構 pyrrhotite 填充生物過濾器中，評估其在連續流條件下對硝酸鹽的去除性能，并監測 effluent 中氮物種和氧化亞氮排放。

 

測量的數據及研究意義

1 測量了細菌群落演替數據，通過終端限制性片段長度多態性分析顯示從傳代1到傳代7群落相似性增加，數據來自Fig. 2。研究意義是確認富集過程的成功，表明傳代4后群落穩定，為自養反硝化菌的富集提供了時間框架，并驗證了方法的可靠性。

 

2 測量了細菌群落組成和相對豐度，通過Illumina測序顯示種子污泥和最終傳代7中Thiobacillus占55%，數據來自Fig. 3。研究意義是揭示了富集培養物的優勢菌屬，證實了硫基自養反硝化的主要貢獻者，并為后續應用提供了微生物學基礎。

 

3 測量了氣體體積積累和反硝化動力學，在不同初始硝酸鹽濃度下氣體產量接近理論值，并應用半級反應模型描述反硝化過程，數據來自Fig. 4a和Fig. 4b。研究意義是量化了反硝化速率，平均為21 mg N2-N(gVSd)-1，證明了富集培養物的高效性，并為反應器設計提供了動力學參數。

 

4 測量了硫酸鹽產量和硝酸鹽去除的化學計量比，實驗值與理論值相近，數據來自Fig. 4c。研究意義是驗證了硫氧化與硝酸鹽還原的化學計量關系，表明過程的高效性和完整性，有助于優化底物投加。

5 測量了生物過濾器中硝酸鹽和亞硝酸鹽濃度，顯示完全硝酸鹽去除無亞硝酸鹽積累，數據來自Fig. 5。研究意義是評估了富集培養物在連續流系統中的性能，證明納米結構 pyrrhotite 生物過濾器的可行性，硝酸鹽還原速率為30.24 mg NO3-N kgNPyr-1 d-1，優于傳統方法。

 

6 測量了氧化亞氮溶解和排放數據，使用丹麥Unisense微傳感器檢測，在多種條件下均未檢測到氧化亞氮，數據來自Table 1。研究意義是評估了過程的環境友好性，表明硫基自養反硝化溫室氣體排放低，減少了二次污染風險。

 

結論

1 成功開發了從厭氧污泥富集硫基自養反硝化菌的方法，Thiobacillus成為優勢屬，反硝化速率達21 mg N(gVSd)-1。

2 富集培養物在納米結構 pyrrhotite 生物過濾器中實現了完全硝酸鹽去除，無亞硝酸鹽和氧化亞氮積累，速率為30.24 mg NO3-N kgNPyr-1 d-1。

3 該技術具有潛在應用價值，建議進一步研究用于同時去除氮和磷。

 

使用丹麥Unisense電極測量數據的研究意義

使用丹麥Unisense氧化亞氮微傳感器測量溶解氧化亞氮數據的研究意義在于精確量化反硝化過程中的溫室氣體排放，從而評估該技術的環境可持續性。氧化亞氮是一種強效溫室氣體，其全球變暖潛能遠高于二氧化碳，因此在廢水處理中控制其排放至關重要。在本研究中，傳感器檢測顯示在多種硫氮比條件下均未檢測到氧化亞氮溶解或排放，這表明硫基自養反硝化過程幾乎不產生氧化亞氮，遠低于異養反硝化可能產生的排放（可達氮負荷的14.6%）。這一結果驗證了該過程在減少溫室氣體方面的優勢，支持其作為環保型廢水處理技術的推廣，同時為過程優化提供了關鍵參數，確保在處理硝酸鹽污染水時不會帶來二次環境問題。