Metagenomic insights into the "window" effect of static magnetic field on nitrous oxide emission from biological nitrogen removal process at low temperature  

靜態磁場對低溫生物脫氮過程中氧化亞氮排放"窗口"效應的宏基因組學解析  

來源：Journal of Environmental Management 298 (2021) 113377

《環境管理雜志》第298卷（2021年）文章編號113377

 

摘要內容：  

本研究旨在探究靜態磁場(SMF)對低溫(10°C)生物脫氮(BNR)過程中N2O排放是否存在"窗口"效應，并從基因層面揭示其生物學機制。通過4組序批式反應器(SBRs)（0、10、45、75 mT SMF）持續運行110天，發現45 mT SMF反應器的N2O累積排放量(5.50 mg N/天)和轉化率(4.28%)最低，驗證了"窗口"效應。宏基因組分析表明，45 mT SMF顯著提升與N2O還原相關的酶活性（如N2O還原酶NOS）及功能基因豐度(nosZ)，富集Alicycliphilus denitricans等N2O還原菌種。基因功能注釋顯示SMF加速游離氨進入氨氧化菌、增強電子傳遞至反硝化還原酶，并通過促進復雜有機物降解減少硝化菌反硝化與不完全反硝化途徑的N2O生成。該研究為磁場技術應用于寒冷地區污水處理廠N2O減排提供理論依據。  

 

研究目的：  

1. 驗證SMF對低溫BNR過程N2O排放的"窗口"效應（即特定磁場強度下減排效果最優）  

2. 從酶活性、功能基因豐度及微生物群落層面解析SMF減排機制  

3. 通過宏基因組學闡明SMF調控N2O生成的基因功能途徑  

 

研究思路：  

1. 實驗設計：構建4組SBR反應器（0/10/45/75 mT SMF），10°C運行110天  

2. 性能監測：定期檢測COD、NH4+-N、TN去除率及在線監測N2O排放  

3. 機制解析：  

   ? 測定關鍵酶活性(AMO/HAO/NOS等)及功能基因豐度(amoA/nosZ等)  

   ? 宏基因組測序分析微生物群落結構（門/屬/種水平）  

   ? KEGG/CAZy數據庫注釋基因功能（氮代謝、電子傳遞等）  

4. 數據驗證：通過硝化/反硝化批式實驗交叉驗證N2O減排效果  

 

測量數據及研究意義：  

1. 污染物去除效率（圖2）  

   ? 數據：COD、NH4+-N、TN去除率動態變化  

   ? 意義：證明SMF提升低溫下脫氮效率（45 mT最優），為"窗口"效應提供性能基礎  

 

2. N2O排放特征（圖3）  

   ? 數據：氣相N2O累積排放量、轉化率及批式實驗中N2O生成量  

   ? 意義：定量驗證45 mT SMF減排效果最優（轉化率僅4.28%）  

 

3. 酶活性與功能基因（圖4）  

   ? 數據：AMO/NOS等酶活性及amoA/nosZ等基因豐度  

 

   ? 意義：揭示SMF通過增強N2O還原酶活性(nosZ基因↑444倍)直接促進N2O消耗  

 

4. 微生物群落結構（圖5）  

   ? 數據：門/屬/種水平群落組成（如Proteobacteria占比77.7%）  

   ? 意義：闡明45 mT SMF富集Paracoccus denitrificans等N2O還原菌種  

 

 

5. 基因功能注釋（圖6）  

   ? 數據：KEGG代謝通路（氮代謝↑33%）及CAZy碳水化合物酶分布  

   ? 意義：證實SMF增強膜轉運基因（加速底物吸收）和ABC轉運蛋白（促進電子傳遞）  

 

 

丹麥Unisense電極測量數據的研究意義  

使用Unisense微電極在線監測氣相N2O濃度（文檔未提具體型號，但明確用途）。其研究意義體現在：  

1. 高精度實時監測：直接量化整個運行周期的N2O動態排放（圖3a），捕捉峰值時段（如曝氣階段），為"窗口"效應提供關鍵證據。  

2. 減排機制關聯：結合批式實驗（圖3b），區分硝化/反硝化過程的N2O貢獻，證明45 mT SMF對硝化過程N2O減排效果最顯著（因抑制AOB的硝化菌反硝化途徑）。  

3. 技術適用性驗證：在低溫(10°C)、短HRT(9.6 h)條件下仍保持檢測穩定性，支撐該技術在實際污水廠的推廣可行性。  

 

結論：  

1. 首次驗證SMF對低溫BNR過程N2O排放存在"窗口"效應，45 mT為最優強度（減排率較對照組提升90%）  

2. 機制上，SMF通過三重作用抑制N2O生成：  

   ? 提升N2O還原酶活性及nosZ基因豐度  

   ? 富集特異性還原菌種（如Pseudomonas stutzeri）  

   ? 加速電子傳遞（ABC轉運蛋白↑62%）和有機物降解  

 

3. 宏基因組證據表明，SMF增強膜轉運基因表達，減少NO2-積累，從而抑制硝化菌反硝化主導的N2O生成路徑  

4. 為磁場技術集成至寒冷地區污水廠提供技術藍圖