Nitrification-denitrification co-metabolism in an algal-bacterial aggregates system for simultaneous pyridine and nitrogen removal

藻-菌聚集體系中異硝化-反硝化共代謝對吡啶和氮的同時去除

來源：journal of Hazardous Materials 460 (2023) 132390

 

摘要核心內容

 

本研究構建了藻菌聚集體（Algal-Bacterial Aggregates, ABA）系統（PBR-1反應器），實現了150 mg·L?1吡啶的完全降解和總氮（TN）去除率>80%（圖1b）。

 

 

核心發現：

 

硝化-反硝化主導脫氮：貢獻率達79.3%（180 μmol·m?2·s?1光照下），遠高于同化作用（圖5a）。

 

 

微環境梯度形成：Unisense微電極證實ABA內部存在溶解氧（DO）和pH梯度（DO：15.9→0.2 mg·L?1；pH：7.7→8.4），形成好氧-缺氧分層結構（圖2）。

 

 

 

功能微生物空間分布：藻類（Limnothrix）和好氧菌位于表層，反硝化菌（Paracoccus、Aquabacterium）位于內層（圖6）。

 

 

共代謝機制：吡啶降解釋放的NH??經硝化轉化為NO??，再通過反硝化與吡啶中間產物共代謝脫氮（圖8）。

 

 

研究目的

 

開發無需曝氣、無外加碳源的ABA系統，同步去除高濃度吡啶和氮污染物。

闡明硝化-反硝化在吡啶降解與脫氮中的共代謝機制。

揭示ABA內部微環境梯度對微生物功能的調控作用。

 

研究思路與技術路線

 

graph TD

A[構建ABA系統] --> B[連續流反應器對比]

B --> C1[PBR-1：藻菌+活性污泥]

B --> C2[PBR-0：純藻菌對照]

C1 & C2 --> D[性能評估：吡啶/DOC/TN去除]

D --> E[機制解析]

E --> F1[微電極測DO/pH梯度]

E --> F2[代謝產物分析]

E --> F3[轉錄組與酶活性]

E --> F4[FISH微生物定位]

 

關鍵數據及研究意義

數據類別 來源圖表 研究意義

吡啶與TN同步去除 圖1b ABA系統TN去除率>80%，顯著優于對照組PBR-0（<60%）

DO/pH梯度       圖2    證實ABA內部形成好氧（表層）-缺氧（內層）分區，支撐分層代謝

硝化-反硝化貢獻率 圖5a 光照180 μmol·m?2·s?1時，硝化-反硝化占TN去除79.3%

功能微生物空間分布 圖6  藻類與硝化菌（Nitrosomonas）位于表層，反硝化菌（Paracoccus）位于內層

代謝通路基因表達 圖7  pyrB/E（吡啶降解）、amo（氨氧化）、nirS（反硝化）基因顯著上調

 

 

核心結論

 

高效同步去除：ABA系統在48 h HRT下完全降解150 mg·L?1吡啶，TN去除率>80%。

微環境驅動分層代謝：

表層好氧區：藻類光合產氧（DO峰值15.9 mg·L?1），支持吡啶好氧降解與硝化。

內層缺氧區：DO<1 mg·L?1，反硝化菌以吡啶中間產物為碳源脫氮（圖8）。

共代謝機制：吡啶降解產物（如NH??）作為硝化底物，反硝化與吡啶降解中間體共代謝，降低碳源需求（C/N=4.3）。

工程優勢：無需曝氣、無溫室氣體排放（產物為O?/N?），能耗降低60%以上。

 

Unisense微電極數據的深度解讀

技術方案

 

設備：Unisense PA2000微電極自動化系統，配備DO/pH微傳感器（空間分辨率50 μm）。

方法：ABA剖面掃描（0–2500 μm深度），實時監測光照下DO/pH動態變化。

 

關鍵發現與意義

 

DO梯度（圖2a）：

表層（0–300 μm）：DO=15.9 mg·L?1（藻類光合作用）。

中層（300–1700 μm）：DO降至1.8 mg·L?1（好氧代謝耗氧）。

內層（>1700 μm）：DO<0.2 mg·L?1（缺氧反硝化區）。

意義：首次量化ABA內部氧分區，解釋了好氧降解與缺氧反硝化的空間耦合機制。

 

pH梯度（圖2b）：

表層堿性（pH 8.4）：藻類CO?吸收與光合作用。

內層中性（pH 7.6）：硝化產酸（NH??→NO??）與反硝化中和。

意義：pH動態反映代謝活動分布，為優化ABA結構提供依據。

 

微環境調控機制：

光強響應：180 μmol·m?2·s?1光照時DO梯度最顯著（圖4），對應最高脫氮效率。

 

代謝關聯：DO/pH梯度與微生物空間分布（圖6）、功能基因表達（圖7）高度一致，證實微環境驅動分層代謝。

 

研究價值

 

機制驗證：微電極數據直接證明ABA內部存在化學梯度，支撐“一系統多分區”代謝模型。

工藝優化：梯度數據指導光照調控（180 μmol·m?2·s?1為最優），避免內層DO過高抑制反硝化。

技術推廣：為類似共生系統（如好氧顆粒污泥、生物膜）的微環境研究提供范式。

 

結論

 

本研究通過Unisense微電極揭示了ABA內部DO/pH梯度及其對微生物功能的調控作用，首次提出“硝化-反硝化共代謝”機制實現吡啶與氮的同步高效去除。該技術兼具零曝氣能耗、低碳源需求和近零溫室氣體排放優勢，為高氮雜環廢水處理提供了新思路。