Anaerobic Oxidation of Methane Coupled with Dissimilatory Nitrate Reduction to Ammonium Fuels Anaerobic Ammonium Oxidation  

甲烷厭氧氧化耦合異化硝酸鹽還原產銨驅動厭氧氨氧化  

來源: Environmental Science & Technology 2021 55 (2), 1197-1208

《環境科學與技術》2021年第55卷第2期1197-1208頁

 

摘要內容：  

該論文發現硝酸鹽/亞硝酸鹽依賴的厭氧甲烷氧化（n-DAMO）古菌能夠將甲烷厭氧氧化與異化硝酸鹽還原為銨（DNRA）的過程耦合起來，產生的銨進一步驅動厭氧氨氧化（Anammox）反應。通過膜生物膜反應器（MBfR）和懸浮污泥實驗，結合微電極測量、基因表達分析和穩定同位素標記，證實了亞硝酸鹽是觸發n-DAMO古菌DNRA過程的關鍵因素，且銨來源于硝酸鹽而非外部亞硝酸鹽。這一發現在生物膜微環境中尤為重要，對全球碳氮循環具有重要影響。  

 

研究目的：  

探究n-DAMO古菌是否具有DNRA能力，以及這一過程如何與Anammox相互作用，從而揭示其在氮循環和甲烷減排中的潛在作用。  

 

研究思路：  

1. 通過長期運行MBfR反應器，以甲烷為電子供體、硝酸鹽為唯一電子 acceptor，培養富集n-DAMO微生物和Anammox細菌的生物膜。  

2. 利用微電極測量生物膜內部NO??、NO??和NH??的濃度梯度，結合RT-qPCR分析功能基因表達。  

3. 通過懸浮污泥批次實驗，研究亞硝酸鹽對DNRA的觸發作用。  

4. 使用1?N標記實驗驗證銨的氮來源（硝酸鹽或亞硝酸鹽）。  

 

測量數據及研究意義：  

1. 反應器長期運行性能數據（氮去除速率、底物濃度變化），來自圖1，意義：證明MBfR可實現高效硝酸鹽去除（1.02 kg N m?3 day?1），為n-DAMO技術應用提供依據。  

 

2. 微生物群落結構動態（16S rRNA測序和FISH），來自圖2，意義：證實n-DAMO古菌、n-DAMO細菌和Anammox細菌在生物膜中的共存，且Anammox細菌無需外部銨源。  

 

3. 生物膜內微尺度氮濃度梯度（NO??、NO??、NH??），來自圖3c，意義：直接證明DNRA導致的銨積累與亞硝酸鹽積累位置重合，揭示生物膜微環境的關鍵作用。  

 

4. 亞硝酸鹽濃度對DNRA的影響（銨積累和nrfA基因表達），來自圖4，意義：明確亞硝酸鹽是觸發DNRA的關鍵因素，且高濃度亞硝酸鹽抑制反應。  

 

5. 1?N標記實驗（銨的氮來源），來自圖5，意義：證實銨完全來源于硝酸鹽而非外部亞硝酸鹽，闡明DNRA的氮轉化路徑。  

 

6. 功能基因轉錄水平（mcrA、nrfA、pmoA、hzsA），來自圖3b、圖4d，意義：從分子水平驗證DNRA過程的發生及調控機制。  

 

結論：  

1. n-DAMO古菌具有DNRA能力，可將硝酸鹽還原為銨，同時氧化甲烷。  

2. 亞硝酸鹽是觸發DNRA的關鍵因素，且該過程在生物膜微環境中因亞硝酸鹽梯度而增強。  

3. DNRA產生的銨可驅動Anammox反應，實現氮的去除與循環。  

4. 這一耦合過程對全球碳氮循環有重要影響，尤其在生物膜主導的自然和工程環境中。  

 

丹麥unisense電極測量數據的詳細解讀：  

使用unisense微電極測量生物膜內部NO??、NO??和NH??的濃度梯度（圖3c），發現銨積累（最高0.2 mg N L?1）與亞硝酸鹽積累（峰值1.7 mg N L?1）位置重合（深度約980 μm），而硝酸鹽從生物膜表面（4.7 mg N L?1）向內逐漸降低。這一數據意義在于：  

1. 直接證實生物膜微環境中存在DNRA導致的銨生產，且與亞硝酸鹽空間分布相關；  

2. 揭示生物膜內部底物梯度（如亞硝酸鹽峰值）可觸發DNRA，促進銨生成；  

3. 解釋為何宏觀反應器中銨難以檢測（被Anammox立即消耗），但在微尺度下可觀測到積累；  

4. 證明生物膜異質性對微生物過程（如DNRA與Anammox耦合）的關鍵調控作用。