The link between nitrous oxide emissions, microbial community profile and function from three full-scale WWTPs  

三個全規模污水處理廠中氧化亞氮排放、微生物群落譜和功能之間的聯系  

來源：Science of the Total Environment, Volume 651, 2019, Pages 2460-2472

《整體環境科學》，第651卷，2019年，頁碼2460-2472

 

摘要  

摘要指出，研究調查了在三個全規模污水處理廠（WWTPs）中，氧化亞氮（N2O）排放與微生物群落結構和功能之間的聯系。使用高通量測序和逆轉錄qPCR（RT-qPCR）分析了活性污泥樣本，并鏈接了N2O排放和廢水特性。N2O排放范圍從7.2到937.0 g N-N2O/天，排放因子為進水NH4-N的0.001%到0.280%。排放與Nitrotoga、Candidatus Microthrix和Rhodobacter等菌屬的豐度相關，這些菌屬在較高溶解氧（DO）和硝酸鹽（NO3-）濃度下更活躍。nirK基因表達與N2O排放相關。N2O排放峰值與曝氣轉換期相關，優化曝氣制度可減少排放。研究還強調了評估nosZ clade II基因表達的重要性，因為其高豐度可能與低N2O排放相關。

 

研究目的  

研究目的是鏈接N2O排放與微生物群落結構和功能，以解釋影響N2O排放的因素，并開發緩解策略，減少污水處理過程中的溫室氣體排放。

 

研究思路  

研究思路包括在三個WWTPs（采用生物氮去除BNR、增強生物磷去除EBPR和常規活性污泥CAS配置）進行兩個季節（夏季和冬季）的監測。使用在線N2O微傳感器（丹麥Unisense電極）連續測量氣體和液體N2O通量，采集樣本進行微生物群落分析（16S rDNA測序）和功能基因表達（RT-qPCR檢測narG、nirS、nirK、nosZI和nosZII基因）。通過主成分分析（PCA）關聯N2O排放、微生物數據和水質參數，以識別關鍵驅動因素。

 

測量的數據及研究意義  

1 N2O排放通量和溶解N2O濃度數據：來自圖2和表3，顯示排放動態和季節變化，例如夏季和冬季的排放峰值。研究意義是量化N2O排放率，識別峰值事件（如曝氣轉換期），并評估排放因子，為優化操作提供基礎。  

 

 

2 微生物群落組成數據：來自圖5和圖7，顯示門水平（如Proteobacteria和Bacteroidetes）和屬水平（如Nitrotoga、Candidatus Microthrix和Rhodobacter）的豐度。研究意義是識別與高N2O排放相關的關鍵菌屬，揭示微生物生態對排放的影響。  

 

 

3 功能基因表達數據：來自圖6，顯示narG、nirS、nirK、nosZI和nosZII的轉錄本豐度。研究意義是揭示denitrification路徑的活性，nirK表達與N2O排放正相關，而nosZ clade II高表達可能與低排放相關，指導減排策略。  

 

4 廢水特性數據：來自表2，包括DO、NH4-N、NO3-濃度等。研究意義是關聯操作條件（如DO水平）與N2O排放，確認高DO和NO3-促進某些菌屬生長和排放。

 

結論  

1 N2O排放受操作事件如曝氣轉換影響，優化曝氣制度可減少排放峰值。  

2 Nitrotoga、Candidatus Microthrix和Rhodobacter等菌屬與高N2O排放相關，尤其在較高DO和NO3-條件下。  

3 nirK基因表達與N2O排放正相關，表明denitrification不完全可能導致排放。  

4 nosZ clade II高豐度可能與低N2O排放相關，是潛在減排關鍵，應作為監測重點。

 

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，能夠準確量化溶解N2O濃度動態，響應時間快，幫助捕獲N2O排放的瞬時峰值和趨勢。在研究中，電極數據（來自圖2和監測點）直接揭示了曝氣轉換期等操作事件觸發的N2O排放峰值，例如當曝氣重啟時N2O濃度迅速上升。這種實時數據使研究人員能夠鏈接過程變化（如DO波動）與排放事件，為優化曝氣策略和減少溫室氣體排放提供實證依據。此外，電極監測還驗證了液體相N2O與氣體相排放的相關性，增強了對N2O產生和傳輸機制的理解，支持開發更有效的減排措施。