HACC/BPNS复合材料对过一硫酸氢盐的光催化活化作用增强，用于HCBD的降解：揭示基于硫酸根自由基的降解机制

《Journal of Environmental Chemical Engineering》：Enhanced Photocatalytic Activation of Peroxymonosulfate by HACC/BPNS Composite for HCBD Degradation: Unraveling Sulfate Radical-Based Mechanisms

该研究从酸性低温废水中分离鉴定出高效异养硝化反硝化菌株Pseudomonas yamanorum EH-G3，其最大氨氮、硝氮和亚硝氮去除速率分别为6.23、3.15和3.49 mg/(L·h)，总氮去除效率达94.40%-96.52%。实验表明低温（15℃）和酸性条件（pH 5.0）可显著提升菌株脱氮性能，氮素平衡显示28.76%氨氮、25.61%硝氮和39.32%亚硝氮转化为气态氮。关键酶（氨单加氧酶、硝酸盐还原酶、亚硝酸盐氧化还原酶）活性分别为0.827、0.240和0.009 U/mg蛋白。该成果为低温酸性废水生物修复提供了新菌种资源。

　　

吴奇峰|李若瑜|邹婷|李梅|邹建国|何腾霞

中国贵州省贵阳市贵州大学生命科学学院，教育部山地植物资源保护与种质创新重点实验室，550025

摘要

细菌在废水中的反硝化作用通常会受到低温和酸性条件的抑制，这些因素会负面影响反硝化酶的活性。本研究分离并鉴定了一种低温异养硝化-好氧反硝化（HN-AD）菌株EH-G3，其属于Pseudomonas yamanorum。该菌株在15℃条件下，最大氮去除率分别为6.23 mg NH₄⁺-N/(L·h)、3.15 mg NO₃^?-N/(L·h)和3.49 mg NO₂^?-N/(L·h)。以柠檬酸钠作为碳源时，EH-G3在30小时内可完全去除铵盐和硝酸盐，总氮去除效率分别达到94.40%和96.52%。此外，酸性条件（pH 5.0）显著提高了EH-G3在低温下的HN-AD效率。氮平衡分析表明，39.32%的铵盐、25.61%的硝酸盐和28.76%的亚硝酸盐被转化为气态氮。进一步研究表明，EH-G3菌株成功表达了氨单加氧酶、硝酸盐还原酶和亚硝酸盐氧化还原酶，其活性分别为0.827 U/mg蛋白、0.240 U/mg蛋白和0.009 U/mg蛋白。这些发现可能为低温条件下含氮酸性废水的微生物生物修复提供新的生物资源。

引言

氮污染对水生环境的健康构成了严峻的全球性挑战。根据《综合废水排放标准》（GB 8978-1996），典型市政和工业废水中的总氮（TN）浓度通常在10至80 mg/L之间，许多测量值集中在20至40 mg/L范围内[12, [29], [37]。生活污水中含有来自人类排泄物、食物垃圾和家庭活动的铵盐、硝酸盐和亚硝酸盐[36]。这些氮化合物排放到水生环境中会引发一系列不良效应，包括藻类大量繁殖、溶解氧耗尽和富营养化，从而对饮用水安全和水生生态系统的完整性构成严重威胁。

随着城市化和工业化的加速，富含氮的废水排放量显著增加。特别是化学、制药和食品加工行业产生的高浓度氮废水，其成分复杂且生物降解性较差，给传统的生物氮去除系统的效率和稳定性带来了显著限制[22, [28], [30]。此外，来自寒冷地区或特定工业过程的废水常常同时面临低温（<15°C）和酸性（pH < 6.0）的双重压力。这些条件严重抑制了微生物活性和关键酶的功能，大大增加了有效控制氮污染的难度[2, [44]（Kroupova等人，2018年）。为了克服这些挑战，人们开发了多种先进的生物氮去除技术，包括部分硝化-反硝化、同步硝化-反硝化和厌氧铵氧化。异养硝化-好氧反硝化（HN-AD）因能够在好氧条件下实现同步硝化和反硝化而受到越来越多的研究关注，这简化了工艺流程并提高了整体氮去除效率[63]。

在HN-AD微生物资源中，Pseudomonas属因其代谢多样性、强环境适应性和高氮去除效率而受到广泛关注。在25–30°C的中性至弱碱性条件下，P. taiwanensis EN-F2、P. bauzanensis DN13-1、P. stutzeri XL-2、P. plecoglossicida JW1和P. putida NP5等菌株已被证明能高效去除铵盐、硝酸盐和亚硝酸盐[42, [53], [55], [58], [59]。值得注意的是，P. reactans WL20-3菌株在4°C和pH 11.0条件下可保持接近100%的铵盐去除效率，表现出显著的耐寒性和嗜碱性[46]。然而，关于Pseudomonas基HN-AD的研究主要集中在中温或嗜碱系统上，而在低温和酸性双重压力下的微生物氮代谢特性和代谢调控机制研究仍然不足，这限制了其在相关工业废水处理中的应用。

本研究分离出一种耐寒且耐酸的反硝化菌株Pseudomonas yamanorum EH-G3，并系统研究了其在15°C下的HN-AD能力。通过优化关键环境因素（如碳源、C/N比、pH值、搅拌速度和接种量），硝酸盐去除效率得到了显著提高。同时，还确定了在pH 5.0条件下去除铵盐的最佳碳源和C/N比。通过氮平衡分析和酶活性测定，全面评估了该菌株的反硝化性能和代谢机制，为低温条件下酸性废水的处理提供了理论基础和技术支持。

部分内容

培养基

富集培养基（pH 7.2）：KH₂PO₄ 4.0 g/L、K₂HPO₄ 6.0 g/L、MgSO₄ 0.2 g/L、NaCl 1.0 g/L、NaNO₂ 1.0 g/L和葡萄糖5.0 g/L。LB培养基（pH 7.2）：胰蛋白胨10.0 g/L、酵母提取物5.0 g/L和NaCl 10.0 g/L [15]。BTB酸碱指示剂培养基（溴百里酚蓝，BTB）（pH 7.2）：KH₂PO₄ 1.0 g/L、MgSO₄·7 H₂O 1.0 g/L、CaCl₂·7 H₂O 0.2 g/L、FeCl₂·6H₂O 0.5 g/L、NaNO₂ 1.0 g/L、琼脂8.5 g/L、BTB（1.5%溴百里酚蓝溶于无水乙醇）1 mL。模拟废水培养基（pH 7.2）：KH₂PO₄ 1.5 g/L

菌株EH-G3的分离与鉴定

亚硝酸盐具有固有的毒性，能够破坏微生物的细胞结构和生理功能[57]。在本研究中，使用亚硝酸盐作为唯一的氮源以增强选择性压力，避免在筛选过程中选择依赖硝酸盐的反硝化细菌。在初步筛选阶段，从样品中分离出33株潜在的反硝化菌株（数据未显示）。基于其对好氧条件的初步适应性...

结论

分离出一种在15°C和pH 5.0条件下具有高效HN-AD能力的菌株，鉴定为Pseudomonas yamanorum EH-G3。在优化环境因素（碳源：柠檬酸钠、C/N比：15、初始pH值：5.0、旋转速度：150 r/min、接种浓度：0.1×10? CFU/mL）后，该菌株在30小时内实现了100%的硝酸盐去除率和96.52%的总氮去除率。在相似条件下（C/N比为10时），该菌株在20小时内完全去除了铵盐（100%）和总氮（94.40%）。

资金声明

本研究得到了国家自然科学基金（项目编号42167019）和贵州大学科研创新团队项目（项目编号Guidakechuangtuan (2024) 06）的支持。

CRediT作者贡献声明

邹建国：软件、资源支持。何腾霞：写作——审稿与编辑、监督、项目管理、资金申请、数据分析、概念构建。李若瑜：方法学设计、实验研究、数据分析。吴奇峰：原始稿撰写、软件使用、资源提供、方法学设计、实验研究、数据分析。李梅：方法学设计、实验研究。邹婷：方法学设计、实验研究、数据分析。

利益冲突声明

作者声明不存在可能影响本文研究的已知财务利益或个人关系。

利益冲突声明

作者声明以下财务利益或个人关系可能被视为潜在的利益冲突：本研究得到了国家自然科学基金（项目编号42167019）和贵州大学科研创新团队项目（项目编号Guidakechuangtuan (2024) 06）的支持。