Enrichment and characterization of autotrophic Thiobacillus denitrificans from anaerobic sludge for nitrate removal

厭氧污泥中自養反硝化硫桿菌的富集與特性研究

來源：Process Biochemistry 68 (2018) 165–170

 

論文總結

研究建立了一種高效、成本效益高的方法，從市政污水處理廠的厭氧污泥中富集硫基自養反硝化菌，并評估其在生物過濾器中的硝酸鹽去除性能。以下從摘要、研究目的、研究思路、測量數據及意義、結論等方面進行總結，并詳細解讀丹麥Unisense電極的應用意義。

一、論文摘要

研究使用硫代硫酸鹽作為底物，在30°C厭氧條件下，經過28天成功從厭氧污泥中富集了硫基自養反硝化菌。通過終端限制性片段長度多態性（TRFLP）和高通量Illumina測序分析微生物群落演變，發現細菌多樣性顯著降低，Thiobacillus成為最終富集培養物中的優勢屬（相對豐度55%）。自養反硝化率為21 mg N?-N/(g VS·d)。將富集培養物接種于納米結構黃鐵礦（NPyr）填充的生物過濾器后，在30天試驗中實現了穩定的硝酸鹽還原，速率達30.24 mg NO?-N/(kg NPyr·d)，且無亞硝酸鹽或N?O積累。該方法為硝酸鹽污染水體的修復提供了可行策略。

二、研究目的

 

富集硫基自養反硝化菌：開發一種簡便、經濟的方法，從厭氧污泥中富集以硫化合物為電子供體的自養反硝化菌。

表征微生物群落：利用分子生物學技術（TRFLP和Illumina測序）分析富集過程中的群落結構變化。

評估反硝化性能：測量富集培養物的反硝化速率，并測試其在流動式NPyr生物過濾器中的硝酸鹽去除能力。

 

為工程應用提供基礎：驗證該技術在實際水體修復中的潛力，尤其針對低有機碳廢水。

 

背景基于硝酸鹽污染對環境和健康的威脅，以及自養反硝化相比異養反硝化的成本優勢（無需有機碳源）。

三、研究思路

研究采用實驗室富集與生物過濾器測試相結合的方法：

 

富集實驗：以厭氧污泥為接種物，使用硫代硫酸鹽或黃鐵礦作為電子供體，在厭氧條件下進行7次傳代培養（共49天）。監測氣體產生和群落演變。

微生物分析：提取DNA，進行TRFLP指紋分析和16S rRNA基因Illumina測序，計算Shannon多樣性指數，評估群落結構和多樣性。

反硝化速率測定：在血清瓶中進行批次實驗，測量不同初始硝酸鹽濃度下的N?氣體產生，計算反硝化速率，并使用半級反應模型擬合動力學。

 

生物過濾器測試：構建NPyr填充的生物過濾器，接種最終富集培養物，在連續流條件下處理合成廢水，監測硝酸鹽和亞硝酸鹽去除效率。

 

四、測量數據、來源及研究意義

研究測量了多維度數據，其意義及來源如下（數據均標注自原文圖/表）：

 

微生物群落演變（數據來自Fig. 2）：

 

數據：TRFLP分析顯示，從傳代1到3（S1-S3）群落結構變化顯著，S4-S7群落相似性高，表明富集在28天（4次傳代）后穩定。

 

研究意義：證實硫代硫酸鹽能有效富集自養反硝化菌；群落穩定性指示富集方法的可靠性，為后續應用提供一致接種物。

 

群落組成與多樣性（數據來自Fig. 3）：

 

數據：Illumina測序顯示，初始污泥Shannon指數為4.89，最終富集物（S7）降至0.49；Thiobacillus相對豐度達55%，其他屬如Flavobacteriales、Alcaligenaceae等存在。

 

研究意義：多樣性降低表明富集過程選擇性增強；Thiobacillus優勢驗證其為核心反硝化菌，兼性菌存在提示潛在協同作用。

 

反硝化速率與動力學（數據來自Fig. 4a-b）：

 

數據：氣體產生量接近理論N?體積；反硝化速率平均21 mg N?-N/(g VS·d)；半級反應模型擬合良好（R2=0.95），速率常數1.14 mg1/2·L1/2·h。

 

研究意義：速率穩定表明富集培養物高效；動力學模型支持過程可控性，為反應器設計提供參數。

 

硫酸鹽產生與化學計量（數據來自Fig. 4c）：

 

數據：SO?2?/NO??-N比值為12.85 g/g，接近理論值11.58 g/g；高硝酸鹽去除時SO?2?略低，提示中間產物形成。

 

研究意義：證實硫氧化與反硝化耦合；偏差提醒優化硫劑量以避免積累有毒中間體（如S?）。

 

N?O排放檢測（數據來自Table 1）：

 

數據：在硫代硫酸鹽系統中，溶解N?O濃度低于0.06 mg/L，未檢測到排放。

 

研究意義：低N?O產生表明過程環境友好，減少溫室氣體風險；支持自養反硝化優于異養過程。

 

生物過濾器性能（數據來自Fig. 5）：

 

數據：NPyr生物過濾器實現完全硝酸鹽去除（30.24 mg NO?-N/(kg NPyr·d)），無亞硝酸鹽積累。

 

研究意義：NPyr作為硫源高效，多孔結構利于微生物附著；驗證富集培養物在連續流中的實用性。

 

五、研究結論

 

成功富集自養反硝化菌：硫代硫酸鹽是有效底物，Thiobacillus為優勢菌，富集周期28天。

高效反硝化性能：富集培養物反硝化速率達21 mg N?-N/(g VS·d)，遵循半級反應動力學。

生物過濾器應用可行：NPyr生物過濾器實現穩定硝酸鹽去除，速率優于傳統黃鐵礦系統。

環境友好：無N?O排放，硫酸鹽產生符合化學計量，潛在同步脫氮除磷。

 

工程潛力：方法成本低，適用于有機碳缺乏水體，但需優化硫劑量和載體性質。

 

六、詳細解讀使用丹麥Unisense電極測量出來的數據有什么研究意義

丹麥Unisense電極（型號N?O微傳感器）在本研究中用于測量溶解的一氧化二氮（N?O）濃度，具體應用于“Denitrification rate of the final enrichment culture”部分（第2.3節）。其研究意義如下：

 

高靈敏度與精準監測：

 

技術描述：Unisense微傳感器提供實時、高精度溶解N?O測量，檢測限低（<0.06 mg/L），避免離線采樣誤差。

數據關聯：在硫代硫酸鹽系統中，測量顯示溶解N?O濃度可忽略（Table 1），且未檢測到氣體排放。

 

研究意義：直接證實自養反硝化過程幾乎不產生N?O，減少了溫室氣體排放風險，支持該技術的環境可持續性。

 

機制闡釋與過程優化：

 

反硝化路徑驗證：低N?O濃度表明反硝化路徑完整（NO?? → N?），無中間體積累，與低亞硝酸鹽濃度（Fig. 5）一致。

 

研究意義：Unisense數據幫助確認硫基反硝化比異養反硝化更徹底（異養過程N?O排放可達N負荷的14.6%），為選擇低排放工藝提供依據。

 

風險評估與合規性：

 

環境安全：N?O是強效溫室氣體，其低排放使技術符合環保法規。

 

研究意義：Unisense測量為技術推廣提供安全認證，增強其在飲用水和地下水修復中的可接受度。

 

方法學優勢：

 

實時性與非侵入性：電極直接插入反應器，連續監測，避免擾動厭氧條件。

 

研究意義：較傳統氣相色譜更高效，適合長期動態研究；數據可靠性支持動力學模型驗證（如半級反應模型）。

 

總之，Unisense電極不僅是工具，更是評估反硝化過程完整性和環境效益的關鍵：其數據證實硫基自養反硝化具有低N?O排放的優勢，為技術優化和規模化應用提供了關鍵參數。這強調了在反硝化研究中集成高精度監測的重要性。