活性污泥中硝酸盐异化还原成铵(DNRA)过程及其影响因素

现有理论认为氨化–硝化–反硝化是活性污泥生物脱氮的主要途径,忽略了硝态氮异化还原成铵(DNRA)作用。本文从DNRA作用对脱氮的影响、DNRA的主要影响因素、菌属及种群鉴定等方面进行综述,阐述了C/N、碳源种类和浓度、硫化物、Fe2+、阴极电压等对DNRA的影响根本原因是电子供体和电子受体的比例问题,影响DNRA与反硝化及Anammox过程竞争的主要因素是电子供体/电子受体、氮源种类、污泥龄、温度和pH,提出了今后应在活性污泥生物脱氮系统对DNRA与反硝化的竞争机理、二者在各工艺系统中的种群丰度、基质和环境因素交互作用、微生物种群间信号传递以及其他氮素转化过程耦联等方面亟需深入研究。

碳源对微生物硝酸盐异化还原成铵过程的影响

微生物通过异化性硝酸盐还原成铵(DNRA)途径,硝态氮转化为仍可生物再利用的铵盐。以琥珀酸钠、柠檬酸钠、酒石酸钾钠为碳源,研究碳源的差异对有氧条件下微生物通过DNRA途径产铵的影响。结果显示,以琥珀酸钠和柠檬酸钠为碳源,初始浓度为20 mmol/L是较佳的实验条件,此时C/N约为1.5～2.0,NH4+-N质量浓度30.0～45.0 mg/L,最高产铵率分别为29.9%和27.0%;以酒石酸钾钠为碳源则在初始浓度为30 mmol/L,C/N约为2.0,NH4+-N质量浓度为40.0～45.0 mg/L时,最高产铵率为30.7%。反硝化和DNRA过程是同时存在的,培养液中NO3--N浓度的下降伴随着中间产物NO2--N的积累和NH4+-N浓度的升高。

活性污泥中硝酸盐异化还原为铵的影响因素研究

针对活性污泥系统中硝酸盐异化还原为铵(DNRA)导致系统脱氮效率降低的问题,通过长期驯化培养试验、批式试验和高通量测序,考察水力停留时间(HRT)、硫离子(S^(2-))的投加和流态对活性污泥中DNRA氨化的影响。研究结果表明:间歇流条件下,当HRT由6 h延长至36 h时,DNRA氨化随着HRT的延长而增强,系统中生成氨氮质量浓度由0.43 mg/L逐渐增长至15.98 mg/L;连续流条件下,当HRT由6 h延长至48 h时,系统中生成氨氮质量浓度由2.03 mg/L逐渐增长至20.78 mg/L。投加S^(2-)可有效促进硝酸盐氮转化成氨氮,当向系统投加20 mg/L的S^(2-)时,间歇流和连续流系统出水氨氮质量浓度分别增加了11.58%和24.82%。且连续流下投加S^(2-)后,DNRA功能菌总丰度比投加前提高了22.65%。在改变HRT和进水S^(2-)质量浓度时,连续流系统中硝酸盐氮转化成氨氮比例均普遍高于间歇流系统。

纳米银对河口潮滩硝酸盐异化还原成铵过程的影响

人类活动会导致纳米银(AgNPs)毒性污染物在河口海岸环境富集,但AgNPs赋存和累积对河口氮转化过程的影响尚不清楚.为此,以长江口作为研究区域,对不同粒径(10 nm、30 nm和100 nm)及不同浓度(0.1 mg/L、5 mg/L和10 mg/L)的AgNPs进行暴露实验,探究AgNPs对河口潮滩硝酸盐异化还原成铵(DNRA)的影响.结果表明,添加AgNPs对不同盐度沉积物DNRA速率均产生一定程度的抑制效应,但其抑制率并没有随时间增长而明显增大.受沉积物理化性质的影响,AgNPs对中盐度(8.0‰)沉积物DNRA速率抑制效应总体上高于其余盐度沉积物.沉积物环境中AgNPs的粒径及浓度均是影响其毒性的重要因素:当浓度不超过5 mg/L时,10 nm粒径AgNPs毒性大于30 nm和100 nm粒径,其在不同盐度沉积物中抑制率最高达16.03%、20.27%和15.36%;但当AgNPs浓度为10 mg/L时,30 nm和100 nm粒径的AgNPs对DNRA速率抑制程度明显增大,毒性效应大于10 nm粒径AgNPs,不同盐度沉积物中最大抑制率分别为17.48%、33.18%和26.45%.AgNPs释放的Ag+浓度与DNRA速率的抑制率未存在显著的正相关关系(p>0.05),反映AgNPs释放的Ag+对DNRA存在一定的抑制作用,但并不能完全解释AgNPs的毒性作用特征.研究结果对于客观评价金属纳米材料对河口氮循环的潜在影响具有重要科学意义.

氧化还原电位和pH对生物滞留系统硝酸盐异化还原为氨作用的影响

试验以模拟生物滞留系统为研究对象,运用^(15)N同位素示踪技术研究土壤不同氧化还原电位(Eh)和p H条件下硝酸盐异化还原为氨(DNRA)作用对氮的去除效果。结果表明:在土壤Eh为225~100 m V、0^-120 m V和-225^-340 m V条件下,随着Eh的降低,硝酸盐异化还原为氨(DNRA)作用增强;生物滞留系统中同时存在反硝化反应和DNRA作用,在0^-120 m V区间,更有利于反硝化作用的发生;在-225^-340 m V区间,更有利于DNRA作用的发生;生物滞留系统土壤p H为5~7的条件下,DNRA作用效果随着p H的增加而增强;在p H为7~9时,DNRA作用效果随着p H的增加而减弱;表明DNRA作用易在中性偏碱性的环境下发生。

自组装膜进样质谱系统及其在砂质沉积物异化硝酸盐还原研究中的应用

沉积物中的异化硝酸盐还原过程对于海洋氮循环起着至关重要的作用。基于15N标记的培养技术是目前测定沉积物异化硝酸盐还原的主要手段。准确快速测定15N标记的产物(29N2、 30N2)是量化异化硝酸盐还原各个过程速率的关键。本研究自行组装膜进样质谱系统用于29N2和30N2的测定,对其测量条件进行了优化。结果表明,进样蠕动泵进样流速0.80 mL/min,进样时间3~3.5 min,恒温槽温度20~25℃,同时铜还原炉温度在300~600℃的条件下,^29N2/^28N2和^30N2/^28N2的测试精密度分别可以控制在0.1%和1%以内,比较适合29N2和30N2的测定。利用自组装的膜进样质谱系统结合15N标记的培养技术研究了青岛石老人沙滩沉积物中的异化硝酸盐还原过程。石老人沙滩沉积物不存在将硝酸盐完全还原为氮气好氧的反硝化。厌氧铵氧化、厌氧反硝化和异化硝酸盐还原为铵(Dissimilatory Nitrate Reduction to Ammonium,DNRA)的潜在速率(以湿沉积物N计)分别为(0.05±0.01) nmol/(cm^3·h),(2.32±0.21) nmol/(cm^3·h)和(1.02±0.15) nmol/(cm^3·h)。厌氧反硝化是硝酸盐异化还原主要的贡献者,其比例接近70%,其次是DNRA,比例可达30%,而厌氧铵氧化的贡献最低,仅为1%。在N2产生过程中,主要贡献者是反硝化,厌氧铵氧化的贡献仅为2%。

太湖潜流带有机质含量对硝酸盐还原途径的影响

通过太湖原状沉积物柱室内模拟试验,研究了有机质(腐殖酸)和硝态氮随下行水流进入潜流带对氮素转化和硝态氮还原途径的影响。结果表明,仅输入硝态氮时,潜流带中硝态氮出现持续累积现象,硝态氮还原速率为0.087-0.186μg/(cm^(3)·d)(平均0.162μg/(cm^(3)·d));而同时输入腐殖酸和硝态氮时,潜流带还原性环境逐渐增强,在21 d内Eh值降至-200 mV以下,硝态氮还原速率为0.092-0.251μg/(cm^(3)·d)(平均0.220μg/(cm^(3)·d)),腐殖酸有效促进了硝酸盐的还原。反硝化作用是潜流带中硝酸盐还原的主要途径,特别是潜流带上部(0-22.5 cm),其贡献达到90%以上;而潜流带的深部(22.5-45.0 cm)硝酸盐还原量总体较小,反硝化作用贡献也仅占39.5%。随着腐殖酸的消耗(6.92 mg/L降为3.32 mg/L),硝酸盐异化还原成铵过程对硝酸盐还原的贡献由14.0%降为2.7%。综合来看,补充有机质有利于潜流带特别是浅层潜流带的硝酸盐还原,且以反硝化过程为主,对湖泊水体碳氮循环和去除具有重要作用。

碳源性质和COD/NO_3^--N对硝酸盐还原途径的影响

通过批次试验考察了实际工业有机废水的碳源性质和COD/NO_3^--N对硝酸盐还原途径的影响。研究结果表明,木薯酒糟中含有大量的大分子易发酵有机物(如碳水化合物和蛋白质等),更易发生异化硝酸盐还原为铵(DNRA)过程;而葡萄糖合成废水和木薯酒精废水厌氧出水中,硝酸盐还原途径主要是通过反硝化进行的。虽然基质不同,但COD/NO_3^--N对硝酸盐还原途径的影响却呈现出相同的规律,即随着COD/NO_3^--N增大,反硝化所占的比例逐渐减小,DNRA占的比重逐渐增大。

活性污泥体系中C/N/S对硝酸盐还原过程的影响

采用序批式活性污泥反应器(ASBR),通过调整进水C/N和S/N,在活性污泥体系中探究电子受体有限的条件下,不同电子供体(有机物或者S^(2-))对反硝化和硝酸盐氮异化还原成铵(DNRA)过程的影响.结果表明:较高的C/N进水条件,有利于反硝化过程的进行;而较高的S/N进水条件,更有利于DNRA过程的发生;DNRA过程的特征产物NH_(4)^(+)-N,在C/N/S=2:2:3、2:2:4条件下的出水中较明显,其中C/N/S=2:2:4条件下,NH_(4)^(+)-N浓度达到最高为10.65mg/L.说明在电子受体有限时,过量的电子供体可促使反硝化向DNRA过程转变.采用16SrRNA分子生物学技术对不同C/N/S下的微生物菌群结构进行分析,发现与氮还原相关的Proteobacteria、Anaerolineae、Bacteroidia、Actinobacteria等菌群丰度较高,且Actinobacteria菌与DNRA过程相关.不同电子供体环境下氮转移途径的研究可为污水处理过程中碳,氮,硫的同步去除提供指导.

还原态硫介导沉积物-水系统硝酸盐还原过程研究

沉积物-水系统中存在着硫元素与反硝化(DN)、硝酸盐异化还原成铵(DNRA)过程的耦合。通过向构建的沉积物-水微宇宙系统依次投加0(N组)、50(L组)和75 mg·L^(-1)(H组)还原态硫,解析各形态氮在上覆水、间隙水和沉积物中的浓度变化与微生物群落结构,以揭示还原态硫对反硝化、硝酸盐异化还原成铵过程的影响。结果显示,还原态硫投加量分别为50和75 mg·L^(-1)时,系统分别有38.02%和33.27%还原态硫被转化为SO_(4)^(2-)。硫氧化作用促进了反硝化的发生,导致L和H组总氮分别比N组减少11%和8%;但是对DNRA过程没有显著影响。此外,具有硫自养反硝化功能的Thiobacillus和Dechloromonas相对丰度之和随着还原态硫浓度增加而上升,N、L和H组两者相对丰度之和分别为5.69%、6.52%和8.70%;而N、L和H组异养硝酸盐还原菌(HNRB)相对丰度分别为0.98%、0.91%和1.05%,其中,DNRA细菌相对丰度均较低(不超过1%),且不受还原态硫浓度的影响。此结果进一步印证了系统中硝酸盐还原以硫自养反硝化过程为主。

EDTA-2Na/Fe(Ⅱ)对自养生物体系下硝酸盐还原过程的影响

采用厌氧序批式生物膜反应器(ASBBR),以固定浓度的硝酸盐和硫酸亚铁为基质,按不同梯度条件添加EDTA-2Na,进行长时间的培养驯化,研究铁盐脱氮的启动过程,同时探究不同EDTA-2Na/Fe(Ⅱ)对铁自养反硝化过程以及硝酸盐异化还原为铵(DNRA)的影响.结果表明:经过65d的培养驯化,反应器成功稳定运行.当EDTA-2Na/Fe(Ⅱ)<1.50时,反应器只进行铁自养反硝化过程,NO_(3)^(-)-N去除率最高仅为71.70%;当EDTA-2Na/Fe(Ⅱ)≥1.50时,反应器同时进行铁自养反硝化与DNRA过程,NO_(3)^(-)-N去除率最高为99.70%.值得注意的是,在EDTA-2Na/Fe(Ⅱ)=1.50时,铁自养反硝化速率达到最大值1.63mg/(L·h)的同时,DNRA的产氨量也达到最大值9.75mg/L.Visual MINTEQ模拟结果表明:EDTA-2Na与Fe(Ⅱ)的摩尔比会影响进水中EDTA-2Na与Fe(Ⅱ)的存在形态,物质的量比越大,FeEDTA^(2)度越高,Fe(Ⅱ)的生物可利用性越强.通过对不同样本进行微生物种群分析,发现优势菌属有Brucella、Castellaniella、Ochrobactrum、Pseudomonas、Citrobacter,前4种菌属均与反硝化过程有关,Citrobacter菌属与DNRA过程有关,且该菌属只在EDTA-2Na/Fe(Ⅱ)=1.50和1.75两个条件下出现.上述研究结果可为更深入探究DNRA与反硝化之间的作用关系提供参考.

闭合回路电子流强化硝酸盐异化还原为铵性能及功能菌群分析

硝酸盐异化还原为铵(DNRA)是氮循环中的一个重要过程,DNRA能够将硝酸盐还原为铵,是将活性氮保留在自然生态系统中的重要路径.然而,DNRA的效率仍然较低,其内在反应机理仍然不清楚.本研究采用自主搭建的电强化-DNRA(E-DNRA)连续流式反应器,利用闭合回路电子流构建单个细菌周围强还原环境,以提高细菌周围局部微环境的电子供体比例,进而提高DNRA效率.据此,进一步深入探究了电子流强化DNRA过程的内在反应机理及DNRA功能菌的群落特征.结果表明,电阻为50Ω,水力停留时间为20 h,电极面积为847 cm^(2)时可以有效提高硝酸盐异化还原为铵(DNRA)的活性,反应器中c(NH_(4)^(+))/c(NO_(3)^(-))最高可达79.1%.胞外聚合物(EPS)、电子传递系统活性(ESTA)及NADH分析表明,电子流促进了电极生物膜上各菌属的生物的活性.宏基因分析结果表明,反应器内Thauera、Azonexus、Cupriavidus、Pseudomonas为主要功能菌属.以nrf A基因编码的细胞色素c型亚硝酸盐还原酶在电子流的作用下由0.18%升高至32.84%,促进了细胞周质内DNRA过程的发生;以nir B基因编码的NADH依赖型亚硝酸盐还原酶在电子流的作用下由6.05%升高至12.71%,强化了细胞质内DNRA过程的发生.研究结果将为开发强化的DNRA技术提供新策略.

硝态氮异化还原机制及其主导因素研究进展

硝态氮(NO_3^-)异化还原过程通常包含反硝化和异化还原为铵(DNRA)两个方面,是土壤氮素转化的重要途径,其强度大小直接影响着硝态氮的利用和环境效应(如淋溶和氮氧化物气体排放)。反硝化和DNRA过程在反应条件、产物和影响因素等方面常会呈现出协同与竞争的交互作用机制。综述了反硝化和DNRA过程的研究进展及其二者协同竞争的作用机理,并阐述了在NO_3^-、pH、有效C、氧化还原电位(Eh)等环境条件和土壤微生物对其发生强度和产物的影响,提出了今后应在产生机理、土壤环境因素、微生物学过程以及与其他氮素转化过程耦联作用等方面亟需深入研究,以期增进对氮素循环过程的认识以及为加强氮素管理利用提供依据。

崇明东滩湿地土壤硝酸盐异化还原成铵过程及其影响因素

以崇明东滩湿地为研究对象,采用同位素示踪结合泥浆实验,研究了从低潮滩向高潮滩变化的土壤硝酸盐异化还原成铵过程(DNRA)及其影响因素.结果表明,土壤硝酸盐异化还原成铵的潜在速率为0.17～0.71 nmol·g^(-1)·h^(-1),表现为低潮滩位较高、高潮滩位较低的空间变化特征.相关性分析表明,酸盐异化还原成铵潜在速率与氧化还原电位、可溶性有机碳、硝酸盐和硫化物呈显著相关性.此外,nrfA基因丰度与硝酸盐异化还原成铵潜在速率呈显著相关性.逐步回归分析发现,可溶有机碳和总有机碳是影响硝酸盐异化还原成铵潜在速率和nrfA基因丰度的关键性环境因子,分别贡献了总变异的78.8%和50.3%.通过估算得出,东滩湿地硝酸盐异化还原成铵过程将硝酸盐转化成铵盐的潜力为2.5～10.4 t·km^(-2)·a^(-1),贡献了长江口每年无机氮输入量的0.68%～2.85%,因此,硝酸盐异化还原成铵过程在控制河口湿地氮赋存方面具有着重要的作用.河口潮汐作用导致的湿地环境特征与有机质和硝酸盐含量的变化影响着硝酸盐异化还原成铵过程,进而对河口湿地生态系统中氮动态产生较大的影响.

硝酸盐去除途径浅析

目前研究发现的硝酸盐去除途径包括反硝化、同化作用、异化硝酸盐还原为铵、硫细菌氧化脱氮、厌氧氨氧化和铁细菌化能自养脱氮。硝酸盐负荷超标的淡水系统中,影响这些途径的因素是什么,现有的认识仍然不完整,需要进一步深入研究。

旱地作物根际和非根际土壤硝酸盐异化还原成铵细菌群落组成的研究

为研究典型旱地农田土壤硝酸盐异化还原成铵过程(Dissimilatory nitrate reduction to ammonium,DNRA)的群落组成,针对DNRA过程的功能基因nrfA进行高通量测序.根际和非根际、4种典型农作物共16个样品,质控后每个样品得到87000条序列,在相似度≥90%下划分到27952个OTUs,选取其中丰度较高的258个代表OTUs进行生态学分析.多样性分析(OTUs水平)结果表明:3/4的作物根际土壤样品中的DNRA群落丰富度、物种多样性和物种均匀度高于相应非根际样品,对比4种作物,粟作物根部土壤DNRA群落多样性最高,玉米作物非根际土壤最低.对代表OTUs进行分类,共定义到6个门(Phylum),19个属(Genus).其中相对丰度最高的3个属为Hyalangium(29.31%)、Chthoniobacter(20.33%)和Nitrospira(13.41%),表明三者在群落组成中占主导地位.结合土壤理化因子分析,DNRA群落相对丰度与NO^-_2-N、TN、含水率、TOM、pH及温度呈显著相关关系.本研究在一定程度上揭示了旱地农田土壤DNRA细菌的群落组成、多样性及与土壤环境因子的关系,为提高氮肥的利用效率和减小环境污染提供理论依据.

稻田硝酸盐异化还原成铵细菌群落结构的垂向分布特性

硝酸盐异化还原成铵(Dissimilatory nitrate reduction to ammonium,DNRA)过程,可将土壤中的NO-3/NO-2还原成NH+4-N以被作物吸收利用,有助于土壤中氮素的保存.选择位于广东韶关市和吉林安图县的两块稻田为研究对象,通过分子生物学方法和高通量测序技术,深入探究了两种稻田土壤(0~1 m)中DNRA细菌丰度和群落结构的垂向分布特性.结果显示:两种稻田土壤中DNRA细菌更多的存在于表层土壤(0~20 cm)中,丰度最低值均出现在深层土壤(90~100 cm)中,且表层样品群落结构的多样性大于深层样品;两个稻田样品间的群落结构体现出明显的空间异质性,安图稻田样品DNRA细菌的丰度和群落结构多样性均大于韶关稻田样品;其中,相对丰度较高的Anaeromyxobacter(28.67%)、Caldimicrobium(19.49%)、Nitrospira(10.90%)和Chthoniobacter(9.15%)是两个稻田中DNRA细菌群落组成中的关键菌属.相关性分析表明,总硫(TS)、有机质(TOM)、含水率(MC)、碳氮比(C/N)与DNRA细菌丰度之间均有显著正相关性(p<0.01,n=20),偏碱性、有机质丰富、氮源缺乏、碳源丰富且C/N较高的环境及适宜的含水率是稻田垂向生态系统中DNRA细菌适宜的生存环境.

碳源对生物滞留系统中硝酸盐异化还原成铵的影响研究

通过构建模拟实验,利用^(15)N同位素示踪技术研究在生物滞留系统中碳源对生物滞留系统中硝酸盐异化还原成铵(DNRA)的影响。结果表明:5个处理组(葡萄糖50,100,150,200,250 mg/L)中NO_3^-发生转化的量分别为41.1%、47.9%、50.7%、56.2%和57.6%。以葡萄糖为碳源,初始浓度为100 mg/L时,DNRA作用效果最显著,^(15)N-NH_4^+含量占初始添加^(15)N的24.7%;初始浓度为250 mg/L时,DNRA作用最弱,^(15)N-NH_4^+含量占初始添加^(15)N的13.7%。反硝化和DNRA作用同时进行,系统中^(15)N-NO_3^-含量的减少均伴随着DNRA过程中间产物^(15)N-NO_2^-含量的积累和最终产物^(15)N-NH+4含量的增加。

微生物异化硝酸盐和亚硝酸盐产铵研究进展

异化硝酸盐和亚硝酸盐还原产铵是氮转化附属途径,为生态系统中氮的重复利用提供了依据,已成为近年来的研究热点。据报道,氮源的种类及浓度不同异化还原产铵的发生机制及强度具有差异性,决定着微生物产铵的效率,因此,有必要明确不同氮源异化还原产铵的代谢机制。本文详细论述了参与硝酸盐和亚硝酸盐异化还原产铵过程的相关微生物种类、产铵途径及其机理;系统分析了单一氮源和混合氮源对不同微生物产铵的影响和差异,比较了放线菌与其他微生物产铵的优势,并对未来的研究方向进行了展望,旨在为微生物异化硝酸盐和亚硝酸盐还原产铵提供理论基础。

人工湿地沟壕系统中硝酸盐异化还原成铵细菌群落特征研究

硝酸盐异化还原成铵(Dissimilatory nitrate reduction to ammonium,DNRA)过程,是将易损失的NO-3-N转化为NH+4-N,而被植物或微生物重新吸收利用,从而有助于湿地沉积物的氮保留.本研究选取石臼漾人工湿地冬、夏两季沟壕中心、边缘表层沉积物,采用高通量测序等分析方法,研究了DNRA细菌群落结构特征.研究结果表明:在空间尺度上,沟壕中心DNRA细菌丰度高于沟壕边缘,分别为(2.26±1.19)×109和(1.22±1.46)×109 copies·g^-1.在时间尺度上,冬夏两季样品中DNRA细菌丰度具有显著性差异(p<0.05).多样性分析表明,沟壕中心沉积物的DNRA群落丰富度高于沟壕边缘.所有样品中占比最高的DNRA属为Caldilinea(69.75%±3.64%)、Anaeromyxobacter(66.41%±1.19%).Caldilinea属在夏季样品的占比(39.78%±5.15%)高于冬季样品(29.98%±0.57%),而Anaeromyxobacter属在沟壕中心的占比(35.14%±0.83%)高于沟壕边缘(31.28%±0.76%),且小沟(34.33%±1.40%)高于大沟(32.08%±1.33%).主坐标分析(PcoA)结果表明,DNRA细菌群落结构具有明显的时间异质性.DNRA细菌丰度与有机质(TOM)、碳氮比(C/N)和含水率(MC)显著相关.本研究揭示了人工湿地沉积物中DNRA细菌的丰度、群落组成、多样性及其与环境因子的关系.