Simultaneous removal of elemental mercury and NO by mercury induced thermophilic community in membrane biofilm reactor  

熱膜生物膜反應器中汞誘導嗜熱群落同時去除元素汞和一氧化氮  

來源：Ecotoxicology and Environmental Safety, Volume 176, 2019, Pages 170-177

《生態毒理學和環境安全》，第176卷，2019年，頁碼170-177

 

摘要  

摘要指出，研究調查了熱膜生物膜反應器（TMBR）在6%氧氣和60°C條件下同時去除元素汞（Hg?）和一氧化氮（NO）的性能。TMBR在210天運行中實現了高效的Hg?和NO去除，去除效率分別達到88.9%和85.3%。形成了汞誘導的嗜熱群落，包括Comamonas、Pseudomonas等耐汞細菌，以及具有汞和氮代謝功能基因的硝化/反硝化菌屬，如Brucella、Paracoccus等。通過XPS和HPLC分析，證實了汞被氧化為Hg2?，并檢測到甲基汞。TMBR使用氧氣作為電子受體，NO和Hg?作為電子供體，在硝化和反硝化過程中實現去除。

 

研究目的  

研究目的是評估熱膜生物膜反應器（TMBR）同時去除元素汞（Hg?）和一氧化氮（NO）的性能，并揭示其機制，包括微生物群落結構、功能基因以及反應途徑，以促進在煙氣處理中的應用。

 

研究思路  

研究思路是建立熱膜生物膜反應器（TMBR）系統，在模擬煙氣條件（6%氧氣、60°C）下運行，通過長期監測Hg?和NO的去除效率，分析微生物群落結構（使用16S rDNA和宏基因組測序），表征生物膜（使用XPS和HPLC），并基于功能基因和代謝途徑探討去除機制。系統運行240天，分四個階段研究不同負載和氣體停留時間的影響。

 

測量的數據及研究意義  

1 Hg?和NO的去除效率數據：來自圖2，顯示長期運行曲線，包括不同階段的去除效率變化。研究意義是驗證TMBR在高溫和高氧氣條件下的穩定性和高效性，為工程應用提供支持。  

 

2 微生物群落結構數據：來自圖3a、3b、3c，顯示門、綱、屬水平的相對豐度，如Firmicutes（50.7%）、Proteobacteria（30%）等，以及具體菌屬如Ureibacillus、Pseudoxanthomonas。研究意義是識別耐汞和反硝化菌屬，解釋群落適應性和功能。  

 

3 功能基因分布數據：來自圖4a和4b，顯示汞代謝相關基因（如katE、merA）和氮代謝相關基因（如glnA、narG）的相對豐度。研究意義是闡明生物化學機制，確認汞氧化和反硝化途徑。  

 

4 XPS和HPLC分析數據：來自圖6a和6b，XPS顯示Hg4f峰位指示Hg2?形成，HPLC顯示甲基汞峰。研究意義是證實汞的氧化和甲基化過程，提供直接證據支持生物轉化。  

 

5 機制示意圖數據：來自圖7，展示TMBR中好氧和缺氧區的反應路徑。研究意義是直觀描述Hg?和NO的去除機制，整合硝化、反硝化和汞氧化過程。

 

結論  

1 TMBR能高效同時去除Hg?和NO，去除效率分別達85.3%和88.9%，表明在高溫煙氣處理中具有潛力。  

2 形成了汞誘導嗜熱群落，包括Paracoccus、Bacillus等菌屬，這些菌具有汞和氮代謝功能基因，如merA和nosZ。  

3 機制涉及氧氣作為電子受體，Hg?和NO作為電子供體，在硝化和反硝化過程中實現轉化，汞被氧化為Hg2?并可能甲基化。  

4 研究為煙氣處理提供了新方法，利用熱膜生物膜反應器實現多污染物協同去除。

 

使用丹麥Unisense電極測量數據的研究意義  

使用丹麥Unisense電極測量數據的研究意義在于其高精度實時監測能力，能夠量化生物膜內的溶解氧（DO）濃度分布。在研究中，Unisense微電極測量（第3.5節）顯示好氧區DO為2.24-7.44 mg/L，缺氧區DO為0.47-0.21 mg/L，這幫助區分生物膜的好氧和缺氧區域，從而解釋硝化和反硝化發生的微環境。這種測量證實了氧氣梯度對反應機制的關鍵影響，支持了Hg?和NO去除的路徑分析，即好氧區進行硝化和汞氧化，缺氧區進行反硝化。此外，DO數據有助于優化操作條件，如氣體停留時間，以最大化去除效率，減少能源消耗。研究意義是提供了微觀環境洞察，增強對生物膜過程的理解，并指導反應器設計和控制策略。