The role of hydroxylamine in promoting conversion from complete nitrification to partial nitrification: NO toxicity inhibition and its characteristics

羥胺在促進(jìn)全程硝化向短程硝化轉(zhuǎn)化中的作用：一氧化氮的毒性抑制及其特性

來源：Bioresource Technology, Volume 319, 2021, 124230

《生物資源技術(shù)》，第319卷，2021年，文章編號124230

 

摘要

摘要指出，本研究探討了在序批式反應(yīng)器（SBR）中通過添加羥胺（NH?OH）促進(jìn)從全程硝化向短程硝化轉(zhuǎn)化的策略。結(jié)果表明，連續(xù)16天向一個(gè)已完成全程硝化的反應(yīng)器中投加5 mg-N/L的NH?OH，可使亞硝酸鹽積累率（NAR）從0.22%提高到95.08%，并顯著增加了液相中一氧化氮（NO）和氧化亞氮（N?O）的積累。停止投加NH?OH后，短程硝化在21天內(nèi)逐漸消失。微生物群落分析表明，Nitrospira是主要的亞硝酸鹽氧化菌（NOB），其相對豐度隨著NH?OH的投加而降低，并在停止投加后恢復(fù)。因此，NH?OH對Nitrospira具有顯著且可逆的抑制作用，其本質(zhì)可能與NO的毒性有關(guān)。

 

研究目的

探究通過添加羥胺（NH?OH）來快速實(shí)現(xiàn)從全程硝化向短程硝化轉(zhuǎn)化的可行性，并深入研究其內(nèi)在機(jī)制，特別是NH?OH抑制亞硝酸鹽氧化菌（NOB）的機(jī)理，以及在此過程中NO和N?O的產(chǎn)生情況。

 

研究思路

首先，在一個(gè)穩(wěn)定運(yùn)行于全程硝化狀態(tài)的SBR反應(yīng)器中，開始連續(xù)投加固定濃度的羥胺（NH?OH）。然后，監(jiān)測投加期間以及停止投加后反應(yīng)器的運(yùn)行性能，包括氮素轉(zhuǎn)化（氨氮、亞硝酸鹽氮、硝酸鹽氮濃度）、氣體副產(chǎn)物（NO和N?O）的濃度變化以及微生物群落結(jié)構(gòu)的演變。最后，通過分析這些數(shù)據(jù)，揭示NH?OH實(shí)現(xiàn)短程硝化的作用機(jī)制。

 

測量的數(shù)據(jù)

1.  反應(yīng)器進(jìn)出水及過程中的氨氮（NH??-N）、亞硝酸鹽氮（NO??-N）、硝酸鹽氮（NO??-N）濃度，用于計(jì)算亞硝酸鹽積累率（NAR）。

2.  反應(yīng)器液相中一氧化氮（NO）和氧化亞氮（N?O）的濃度變化。

3.  反應(yīng)過程中的氧化還原電位（ORP）變化。

4.  反應(yīng)器內(nèi)微生物群落結(jié)構(gòu)的變化，特別是氨氧化菌（AOB，如Nitrosomonas）和亞硝酸鹽氧化菌（NOB，如Nitrospira和Nitrobacter）的相對豐度。

 

測量數(shù)據(jù)的研究意義

1.  NH??-N、NO??-N、NO??-N濃度和NAR（來自圖2）：這些數(shù)據(jù)直接反映了反應(yīng)器的硝化性能，是評判短程硝化是否成功實(shí)現(xiàn)以及其穩(wěn)定性的核心指標(biāo)。NAR的升高表明NOB被成功抑制。

 

2.  NO和N?O濃度（來自圖3）：這些數(shù)據(jù)對于揭示NH?OH的作用機(jī)制至關(guān)重要。它們的產(chǎn)生和變化趨勢為證明NH?OH代謝產(chǎn)生了NO，以及NO可能對NOB（特別是Nitrospira）產(chǎn)生毒性抑制提供了直接證據(jù)。同時(shí)，也評估了該策略可能帶來的環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)（N?O是強(qiáng)溫室氣體）。

 

3.  ORP變化（來自圖3）：ORP的急劇下降與NH?OH的投加和消耗過程相關(guān)聯(lián)，可以作為NH?OH在反應(yīng)器中存在和轉(zhuǎn)化的一個(gè)間接指示參數(shù)。

4.  微生物群落數(shù)據(jù)（來自圖5）：這些數(shù)據(jù)從微生物學(xué)角度解釋了現(xiàn)象背后的原因。它證實(shí)了NH?OH對優(yōu)勢NOB（Nitrospira）的可逆抑制效應(yīng)，并將宏觀的工藝性能變化與微觀的種群動態(tài)聯(lián)系起來，強(qiáng)化了結(jié)論的可靠性。

 

 

結(jié)論

1.  向已完成全程硝化的SBR中連續(xù)投加5 mg-N/L的羥胺（NH?OH），可以在16天內(nèi)成功啟動短程硝化，使亞硝酸鹽積累率（NAR）達(dá)到95%以上。

2.  NH?OH的投加會導(dǎo)致反應(yīng)器內(nèi)產(chǎn)生大量的NO和N?O，并且NO的最大濃度隨著短程硝化的進(jìn)行（亞硝酸鹽濃度升高）而增加。

3.  NH?OH對亞硝酸鹽氧化菌（NOB）的抑制作用是可逆的。一旦停止投加，NOB（本研究中為Nitrospira）的活性會恢復(fù)，導(dǎo)致短程硝化進(jìn)程逐漸消失。

4.  NH?OH抑制NOB的本質(zhì)原因可能與其代謝過程中產(chǎn)生的中間產(chǎn)物一氧化氮（NO）的毒性有關(guān)，NO對具有高亞硝酸鹽親和力的Nitrospira產(chǎn)生了強(qiáng)烈的抑制。

 

使用丹麥unisense電極測量數(shù)據(jù)的研究意義：

使用丹麥Unisense微電極系統(tǒng)在線監(jiān)測液相中的NO和N?O濃度，在本研究中具有至關(guān)重要的研究意義，主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：

1.  高時(shí)空分辨率揭示了動態(tài)過程：該電極能夠?qū)崟r(shí)、在線、高頻率地測量NO和N?O的濃度變化，捕捉到投加NH?OH后短期內(nèi)出現(xiàn)的濃度峰值（圖3b, c, d）。這種瞬時(shí)變化的捕捉是傳統(tǒng)離線采樣方法難以實(shí)現(xiàn)的，它清晰地展示了NH?OH投加后立即引發(fā)的生物化學(xué)反應(yīng)動態(tài)過程。

2.  提供了直接的機(jī)制證據(jù)：測量數(shù)據(jù)直接證實(shí)了NH?OH的投加會導(dǎo)致NO和N?O的顯著產(chǎn)生。NO的峰值出現(xiàn)早于N?O，并且隨后下降，這符合已知的硝化菌代謝途徑：NH?OH通過羥胺氧化還原酶（HAO）被氧化生成NO，NO隨后可被進(jìn)一步還原為N?O。這為“NH?OH抑制NOB與其代謝產(chǎn)生NO有關(guān)”的假設(shè)提供了最直接的、實(shí)驗(yàn)性的證據(jù)。

3.  建立了濃度與抑制效應(yīng)的關(guān)聯(lián)：數(shù)據(jù)顯示，隨著投加天數(shù)的增加和短程硝化的成熟（亞硝酸鹽積累），每個(gè)周期內(nèi)產(chǎn)生的NO峰值濃度逐漸升高（從0.17 mg/L升至0.23 mg/L）。這表明反應(yīng)器內(nèi)NO的暴露水平在不斷加劇，這與NOB受到的抑制程度加深（NAR升高）和微生物群落中Nitrospira豐度的下降在時(shí)間上和趨勢上高度吻合，強(qiáng)有力地支持了NO毒性是抑制關(guān)鍵因素的結(jié)論。

4.  評估了工藝的環(huán)境影響：N?O是一種強(qiáng)效溫室氣體。通過精確測量其濃度，本研究評估了采用羥胺投加策略可能帶來的負(fù)面環(huán)境效應(yīng)，為全面評價(jià)該技術(shù)的可行性提供了重要數(shù)據(jù)。

總之，Unisense電極獲得的NO/N?O數(shù)據(jù)是連接“NH?OH投加”這一操作與“NOB被抑制”這一現(xiàn)象之間的關(guān)鍵橋梁，使研究者能夠從機(jī)理層面而不僅僅是現(xiàn)象層面解釋短程硝化成功的原因，極大地提升了研究的深度和說服力。