Nitrification-denitrification co-metabolism in an algal-bacterial aggregates system for simultaneous pyridine and nitrogen removal

藻-菌聚集體系中異硝化-反硝化共代謝對(duì)吡啶和氮的同時(shí)去除

來(lái)源：journal of Hazardous Materials 460 (2023) 132390

 

摘要核心內(nèi)容

 

本研究構(gòu)建了藻菌聚集體（Algal-Bacterial Aggregates, ABA）系統(tǒng)（PBR-1反應(yīng)器），實(shí)現(xiàn)了150 mg·L?1吡啶的完全降解和總氮（TN）去除率>80%（圖1b）。

 

 

核心發(fā)現(xiàn)：

 

硝化-反硝化主導(dǎo)脫氮：貢獻(xiàn)率達(dá)79.3%（180 μmol·m?2·s?1光照下），遠(yuǎn)高于同化作用（圖5a）。

 

 

微環(huán)境梯度形成：Unisense微電極證實(shí)ABA內(nèi)部存在溶解氧（DO）和pH梯度（DO：15.9→0.2 mg·L?1；pH：7.7→8.4），形成好氧-缺氧分層結(jié)構(gòu)（圖2）。

 

 

 

功能微生物空間分布：藻類（Limnothrix）和好氧菌位于表層，反硝化菌（Paracoccus、Aquabacterium）位于內(nèi)層（圖6）。

 

 

共代謝機(jī)制：吡啶降解釋放的NH??經(jīng)硝化轉(zhuǎn)化為NO??，再通過(guò)反硝化與吡啶中間產(chǎn)物共代謝脫氮（圖8）。

 

 

研究目的

 

開(kāi)發(fā)無(wú)需曝氣、無(wú)外加碳源的ABA系統(tǒng)，同步去除高濃度吡啶和氮污染物。

闡明硝化-反硝化在吡啶降解與脫氮中的共代謝機(jī)制。

揭示ABA內(nèi)部微環(huán)境梯度對(duì)微生物功能的調(diào)控作用。

 

研究思路與技術(shù)路線

 

graph TD

A[構(gòu)建ABA系統(tǒng)] --> B[連續(xù)流反應(yīng)器對(duì)比]

B --> C1[PBR-1：藻菌+活性污泥]

B --> C2[PBR-0：純?cè)寰鷮?duì)照]

C1 & C2 --> D[性能評(píng)估：吡啶/DOC/TN去除]

D --> E[機(jī)制解析]

E --> F1[微電極測(cè)DO/pH梯度]

E --> F2[代謝產(chǎn)物分析]

E --> F3[轉(zhuǎn)錄組與酶活性]

E --> F4[FISH微生物定位]

 

關(guān)鍵數(shù)據(jù)及研究意義

數(shù)據(jù)類別 來(lái)源圖表 研究意義

吡啶與TN同步去除 圖1b ABA系統(tǒng)TN去除率>80%，顯著優(yōu)于對(duì)照組PBR-0（<60%）

DO/pH梯度       圖2    證實(shí)ABA內(nèi)部形成好氧（表層）-缺氧（內(nèi)層）分區(qū)，支撐分層代謝

硝化-反硝化貢獻(xiàn)率 圖5a 光照180 μmol·m?2·s?1時(shí)，硝化-反硝化占TN去除79.3%

功能微生物空間分布 圖6  藻類與硝化菌（Nitrosomonas）位于表層，反硝化菌（Paracoccus）位于內(nèi)層

代謝通路基因表達(dá) 圖7  pyrB/E（吡啶降解）、amo（氨氧化）、nirS（反硝化）基因顯著上調(diào)

 

 

核心結(jié)論

 

高效同步去除：ABA系統(tǒng)在48 h HRT下完全降解150 mg·L?1吡啶，TN去除率>80%。

微環(huán)境驅(qū)動(dòng)分層代謝：

表層好氧區(qū)：藻類光合產(chǎn)氧（DO峰值15.9 mg·L?1），支持吡啶好氧降解與硝化。

內(nèi)層缺氧區(qū)：DO<1 mg·L?1，反硝化菌以吡啶中間產(chǎn)物為碳源脫氮（圖8）。

共代謝機(jī)制：吡啶降解產(chǎn)物（如NH??）作為硝化底物，反硝化與吡啶降解中間體共代謝，降低碳源需求（C/N=4.3）。

工程優(yōu)勢(shì)：無(wú)需曝氣、無(wú)溫室氣體排放（產(chǎn)物為O?/N?），能耗降低60%以上。

 

Unisense微電極數(shù)據(jù)的深度解讀

技術(shù)方案

 

設(shè)備：Unisense PA2000微電極自動(dòng)化系統(tǒng)，配備DO/pH微傳感器（空間分辨率50 μm）。

方法：ABA剖面掃描（0–2500 μm深度），實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)光照下DO/pH動(dòng)態(tài)變化。

 

關(guān)鍵發(fā)現(xiàn)與意義

 

DO梯度（圖2a）：

表層（0–300 μm）：DO=15.9 mg·L?1（藻類光合作用）。

中層（300–1700 μm）：DO降至1.8 mg·L?1（好氧代謝耗氧）。

內(nèi)層（>1700 μm）：DO<0.2 mg·L?1（缺氧反硝化區(qū)）。

意義：首次量化ABA內(nèi)部氧分區(qū)，解釋了好氧降解與缺氧反硝化的空間耦合機(jī)制。

 

pH梯度（圖2b）：

表層堿性（pH 8.4）：藻類CO?吸收與光合作用。

內(nèi)層中性（pH 7.6）：硝化產(chǎn)酸（NH??→NO??）與反硝化中和。

意義：pH動(dòng)態(tài)反映代謝活動(dòng)分布，為優(yōu)化ABA結(jié)構(gòu)提供依據(jù)。

 

微環(huán)境調(diào)控機(jī)制：

光強(qiáng)響應(yīng)：180 μmol·m?2·s?1光照時(shí)DO梯度最顯著（圖4），對(duì)應(yīng)最高脫氮效率。

 

代謝關(guān)聯(lián)：DO/pH梯度與微生物空間分布（圖6）、功能基因表達(dá)（圖7）高度一致，證實(shí)微環(huán)境驅(qū)動(dòng)分層代謝。

 

研究?jī)r(jià)值

 

機(jī)制驗(yàn)證：微電極數(shù)據(jù)直接證明ABA內(nèi)部存在化學(xué)梯度，支撐“一系統(tǒng)多分區(qū)”代謝模型。

工藝優(yōu)化：梯度數(shù)據(jù)指導(dǎo)光照調(diào)控（180 μmol·m?2·s?1為最優(yōu)），避免內(nèi)層DO過(guò)高抑制反硝化。

技術(shù)推廣：為類似共生系統(tǒng)（如好氧顆粒污泥、生物膜）的微環(huán)境研究提供范式。

 

結(jié)論

 

本研究通過(guò)Unisense微電極揭示了ABA內(nèi)部DO/pH梯度及其對(duì)微生物功能的調(diào)控作用，首次提出“硝化-反硝化共代謝”機(jī)制實(shí)現(xiàn)吡啶與氮的同步高效去除。該技術(shù)兼具零曝氣能耗、低碳源需求和近零溫室氣體排放優(yōu)勢(shì)，為高氮雜環(huán)廢水處理提供了新思路。