Denitrification kinetics indicates nitrous oxide uptake is unaffected by electron competition in Accumulibacter

反硝化動力學(xué)表明一氧化二氮的攝取不受 Accumulibacter 中電子競爭的影響

來源：Water Research 189 (2021) 116557

 

一、摘要概述

 

本研究聚焦于 反硝化除磷（DPR）工藝中N?O排放機制，通過對比兩種關(guān)鍵微生物——聚磷菌（Candidatus Accumulibacter）和競爭性糖原菌（Candidatus Competibacter）的脫氮動力學(xué)，揭示：

 

核心發(fā)現(xiàn)：在低游離亞硝酸（FNA < 0.2 μg HNO?-N/L）條件下，Accumulibacter能完全還原N?O至N?，且電子競爭不影響其N?O還原能力（圖3-4）。

 

 

 

關(guān)鍵差異：Competibacter僅能將硝酸鹽（NO??）還原至亞硝酸鹽（NO??），導(dǎo)致NO??積累（圖3c）。

 

技術(shù)亮點：結(jié)合代謝模型驗證，首次證明DPR系統(tǒng)中Accumulibacter主導(dǎo)的群落可顯著降低N?O排放風(fēng)險（圖6）。

 

 

二、研究目的

 

機制解析：探究Accumulibacter與Competibacter在多種電子受體（NO??/NO??/N?O）下的脫氮路徑完整性（引言）。

 

電子競爭驗證：評估電子競爭是否導(dǎo)致N?O積累（方法2.2）。

 

模型預(yù)測：開發(fā)四步反硝化代謝模型，預(yù)測N?O動態(tài)（方法2.4）。

 

三、研究思路

 

采用 富集培養(yǎng)+批式試驗+模型驗證 三重策略：

1. 微生物富集

 

反應(yīng)器設(shè)計：3組SBR反應(yīng)器分別富集：

 

Accumulibacter（以NO??為電子受體）

 

Accumulibacter（以NO??為電子受體）

 

Competibacter（以NO??為電子受體）

 

控制條件：pH=8.0±0.1（避免FNA抑制），30°C，嚴(yán)格缺氧（方法2.1）。

 

2. 七組批式試驗（表1）

 

單電子受體：A（N?O）、B（NO??）、C（NO??）

 

多電子受體組合：D（NO??+NO??）、E（NO??+N?O）、F（NO??+N?O）、G（NO??+NO??+N?O）

 

監(jiān)測指標(biāo)：

 

氮氧化物：NO??、NO??、N?O（Unisense電極實時監(jiān)測溶解態(tài)N?O）

 

碳源：胞內(nèi)PHA（聚羥基烷酸酯）

 

磷代謝：PO?3?攝取速率

 

3. 代謝模型開發(fā)

 

擴展Liu等（2015）模型，納入四步反硝化路徑（NO??→NO??→NO→N?O→N?）。

 

校準(zhǔn)關(guān)鍵參數(shù)：多聚磷酸鹽儲存速率（q??）、缺氧生長速率（μ_DPAO1-4）。

 

四、關(guān)鍵數(shù)據(jù)及研究意義

1. 脫氮動力學(xué)差異（圖3）

 

數(shù)據(jù)來源：七組批式試驗的氮氧化物還原速率（n>3）。

 

結(jié)果：

 

Accumulibacter：N?O還原速率達(dá)7.3–10.6 mg N/gVSS/h（試驗A），無N?O積累。

 

Competibacter：NO??還原速率5.03 mg N/gVSS/h，但NO??還原能力弱（試驗B-C）。

 

意義：證實Accumulibacter具備完整反硝化路徑，而Competibacter路徑截斷（僅至NO??）。

 

2. 電子分配模式（圖4）

 

數(shù)據(jù)來源：電子受體組合試驗（D-G）的電子消耗速率計算。

 

結(jié)果：

 

Accumulibacter總電子消耗速率（2.47 mmol e?/gVSS/h）顯著高于Competibacter。

 

無電子競爭：多電子受體共存時，N?O還原酶（Nos）仍獲充足電子（試驗E-G）。

 

意義：推翻“上游反硝化酶優(yōu)先搶占電子”的假設(shè)，證明Nos活性不受競爭抑制。

 

3. 磷攝取關(guān)聯(lián)（圖5）

 

數(shù)據(jù)來源：磷攝取量與電子消耗量比值（mmol P/mmol e?）。

 

結(jié)果：

 

NO??為電子受體時，Accumulibacter磷攝取/電子消耗比最高（0.11 mmol P/mmol e?）。

 

N?O還原過程伴隨顯著磷攝取（試驗A,F）。

 

意義：揭示反硝化除磷的能量分配規(guī)律，優(yōu)化DPR工藝設(shè)計。

 

4. 模型驗證（圖6）

 

數(shù)據(jù)來源：模型預(yù)測 vs. 實測氮氧化物濃度（R2=0.96–0.97）。

 

結(jié)果：模型精準(zhǔn)預(yù)測N?O零積累趨勢（如試驗G）。

 

意義：為低N?O排放的DPR工藝提供量化設(shè)計工具。

 

五、結(jié)論

 

微生物功能差異：

 

Accumulibacter具備完整反硝化路徑（至N?），N?O還原能力強勁。

 

Competibacter僅還原NO??至NO??，是潛在的NO??積累源。

 

環(huán)境因子關(guān)鍵性：FNA濃度<0.2 μg/L時，Nos酶活性不受抑制，避免N?O積累。

 

工藝啟示：富集Accumulibacter的DPR系統(tǒng)可實現(xiàn)同步高效脫氮除磷與N?O減排。

 

六、丹麥Unisense電極數(shù)據(jù)的深度解讀

1. 技術(shù)原理與部署

 

原位監(jiān)測：N?O微傳感器（N2O-R型）浸沒于批式反應(yīng)器液相，實時檢測溶解態(tài)N?O（分辨率0.01 μM）（方法2.2）。

 

校準(zhǔn)方法：100% N?O飽和水標(biāo)定，消除氣相擴散誤差。

 

數(shù)據(jù)頻率：每秒采集電流信號，經(jīng)皮安計轉(zhuǎn)換為N?O濃度。

 

2. 關(guān)鍵發(fā)現(xiàn)與意義

 

N?O動態(tài)捕捉（圖3, 6）：

 

Accumulibacter在試驗A中N?O還原速率達(dá)峰值（10.6 mg N/gVSS/h），全程無積累。

 

Competibacter在試驗C中N?O還原速率可忽略（<0.5 mg N/gVSS/h）。

 

意義：直接驗證Accumulibacter的N?O消納能力，推翻“PHA代謝必然產(chǎn)N?O”的舊認(rèn)知。

 

抑制閾值量化：

 

當(dāng)FNA>1.5 μg/L時，文獻報道Nos酶抑制（Zhou et al. 2008）；

 

本研究維持FNA<0.2 μg/L（pH=8.0），證實低FNA是Nos活性的關(guān)鍵保障。

 

意義：為污水廠調(diào)控pH/FNA以降低N?O排放提供精準(zhǔn)閾值。

 

多受體競爭驗證：

 

試驗E（NO??+N?O）中，Accumulibacter對N?O的還原速率不受NO??影響（圖3a）。

 

意義：證明電子競爭不制約N?O還原，支持DPR工藝中多電子受體共存可行性。

 

3. 行業(yè)貢獻

 

方法革新：首例將Unisense電極應(yīng)用于DPR微生物的秒級N?O動力學(xué)解析。

 

機制顛覆：揭示低FNA下Accumulibacter的完全反硝化能力，挑戰(zhàn)“DPR必然高N?O”的認(rèn)知。

 

應(yīng)用導(dǎo)向：為優(yōu)化DPR工藝參數(shù)（pH/電子受體配比）提供實時監(jiān)測工具。

 

總結(jié)

 

本研究通過Unisense電極證實：在低FNA（<0.2 μg/L）條件下，Accumulibacter可高效還原N?O且不受電子競爭抑制。該發(fā)現(xiàn)為設(shè)計“低碳足跡DPR工藝”提供理論依據(jù)，Unisense電極的秒級監(jiān)測能力則為污水廠N?O預(yù)警系統(tǒng)開發(fā)奠定技術(shù)基礎(chǔ)。建議在實際DPR系統(tǒng)中維持pH>7.5并富集Accumulibacter，以實現(xiàn)脫氮除磷與N?O減排的雙重目標(biāo)。