激活特定氧化亚氮生成通路以揭示污水处理厂排放动态

《Water Research》：Activating specific N 2O production pathways to understand emission dynamics in wastewater treatment

为明确污水处理厂中氧化亚氮（N2O）排放的复杂机理，本研究开发并验证了一种在接近实际规模的条件下，区分其主要微生物生成通路（羟胺氧化、硝化菌反硝化、异养反硝化）的新方法。通过对两个平行中试反应器进行一年的动态监测，结合在线同位素分析，研究发现羟胺氧化通路的贡献可忽略不计，并成功分离了硝化菌反硝化与异养反硝化通路，揭示了溶解氧、有机碳和pH等操作条件对各通路N2O产量的具体影响。该研究为理解N2O排放动态和开发针对性减排策略提供了系统框架。

　　

在全球致力于将温升控制在1.5℃以内以实现净零排放的背景下，减排“超级温室气体”氧化亚氮（Nitrous Oxide, N₂O）变得至关重要。N₂O的百年尺度全球增温潜势是二氧化碳的273倍，还会破坏臭氧层。虽然农业是其最大的人为排放源，但污水处理厂（Wastewater Treatment Plants, WWTPs）的贡献也远超此前预估，并且其排放的时空变异性极大，常常主导整个污水处理厂的温室气体足迹。为了在2050年前实现污水处理行业的净零目标，大幅削减N₂O排放成为一项紧迫而关键的任务。

然而，这个目标面临着巨大的科学挑战。在生物脱氮过程中，已知主要有三条微生物通路会导致N₂O的净排放：羟胺（Hydroxylamine, Hy）氧化、硝化菌反硝化（Nitrifier denitrification, nD）和异养反硝化（Heterotrophic denitrification, hD）。其中，异养反硝化既能产生也能消耗N₂O。这三条通路的相对和绝对重要性会随时间变化，并受多种参数（如溶解氧、亚硝酸盐浓度、有机碳、pH等）相互作用的控制。在现实、复杂的全尺寸污水处理厂运行条件下，这些通路相互重叠、非线性地交织在一起，使得我们难以厘清其各自的贡献，更无法有针对性地开发出普遍适用的减排策略。此前，在接近实际规模的条件下，通过实验来“拆解”这些机制的努力尚未成功。因此，开发一种能够明确区分主要N₂O生成通路的方法，并在此基础上理解各通路如何受操作条件影响，就成为破解N₂O排放谜题、制定有效减排策略的核心科学需求。

为了回答这一关键问题，由Laurence Strubbe、Hannes Keck、Paul M. Magyar、Joachim Mohn、Adriano Joss和Andreas Froemelt组成的研究团队开展了一项为期一年的深入研究，成果发表在《Water Research》期刊上。他们的核心目标是：建立一种稳健的方法学基础，在模拟实际规模运行的污水处理系统中，将三条主要的N₂O生成通路区分开来，并确定在不同操作设置下，哪条通路占主导地位。

研究团队采用了几个关键的技术方法来达成目标。首先，他们构建并运行了两个8立方米的平行中试规模序批式反应器（Sequencing Batch Reactor, SBR），使用直接从瑞士Dübendorf市政下水道提取的动态变化的生活污水，以高度模拟全尺寸厂的条件。两反应器一为测试，一为对照，运行超过一年。其次，他们开发了一套基于操作策略的比较实验方法，通过精确控制铵（NH₄⁺）、亚硝酸盐（NO₂^-）和溶解氧（Dissolved Oxygen, DO）的浓度，来“开启”或“关闭”特定的N₂O生成通路。最后，也是最关键的一步，是利用在线同位素分析仪对反应器尾气中的N₂O进行连续监测，测量其位点特异性氮同位素组成（位点偏好，Site Preference, SP）和氧同位素组成（δ¹⁸O），以此来验证和确认操作策略所分离出的N₂O生成通路。这种将操作控制与同位素“指纹”验证相结合的方法，是本研究的创新核心。

研究结果

1. 羟胺氧化通路贡献可忽略不计

通过对长达一年、总计715个数据点的N₂O同位素连续监测发现，所有测量数据点都沿着一条与两条反硝化通路（nD和hD）相关的回归线分布，而没有任何数据点落在代表羟胺氧化通路的特征同位素区域内。这表明，在本研究涵盖的、代表市政污水处理的操作条件下（包括DO浓度高达4 mg O₂·L^-1），羟胺氧化对曝气期间的N₂O排放贡献微乎其微。这一发现与之前一些强调该通路在高DO条件下重要的研究不同，但支持了其他在全尺寸或混合培养条件下进行同位素分析的研究结论。

2. 操作条件可实现反硝化通路的分离

同位素“指纹”本身无法区分nD和hD。为此，研究团队设计了一系列精巧的比较实验。

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  NH₄⁺可得性是硝化菌反硝化的先决条件：实验证明，通过添加氨单加氧酶抑制剂（ATU）来抑制NH₄⁺氧化，或者通过前期曝气耗尽NH₄⁺，都可以“关闭”nD的N₂O排放。反之，在高DO（4 mg O₂·L^-1）条件下重新添加NH₄⁺和NO₂^-，可以“开启”并分离出nD通路，其产生的N₂O具有较低的同位素SP和δ¹⁸O值。
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  氧浓度控制异养反硝化的贡献：在耗尽NH₄⁺以关闭nD的前提下，降低DO浓度（至1 mg O₂·L^-1）可以“激活”不完全的hD，产生N₂O。而在高DO（4 mg O₂·L^-1）下，hD的N₂O排放可被有效抑制。由此分离出的hD通路产生的N₂O，其同位素值（SP和δ¹⁸O）通常高于nD通路，但分布更广，反映了N₂O还原的影响。

3. 关键操作因子对两条反硝化通路的影响

利用上述已验证的分离方法，研究进一步量化了几个关键操作因子对两条通路N₂O产量的影响。

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  溶解氧（DO）的影响：降低DO会显著增加N₂O排放因子（Emission Factor, EF）。然而，通过通路分离发现，这种增加主要归因于nD活动的增强，而非hD。在低DO（1 mg O₂·L^-1）且有NH₄⁺存在时，N₂O排放量远高于仅由hD贡献的情况。
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  有机碳（以挥发性脂肪酸VFA形式添加）的影响：在低DO且无NH₄⁺（仅hD活动）的条件下，添加VFA作为额外碳源，会使hD产生的N₂O排放增加约10倍。这表明有机碳的有效性是不完全hD产生N₂O的一个重要驱动因素。
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  pH值的影响：pH对hD产生的N₂O有极强的控制作用。在低DO条件下，将pH控制在6.8的系统中，其N₂O排放量可比pH为8.0的系统高出约20倍。同位素数据显示，较低的pH抑制了N₂O还原酶（NosZ）的活性，导致N₂O更多地积累而非被还原为N₂。

研究结论与重要意义

本研究通过将连续同位素分析与靶向操作控制相结合，成功开发并验证了一种能够在接近实际规模的污水处理条件下“激活”特定N₂O生成通路的方法学。主要结论包括：1）在所研究的市政污水处理条件下，羟胺氧化通路对N₂O排放的贡献可忽略不计；2）通过控制NH₄⁺、NO₂^-可得性和DO水平，可以操作性地分离硝化菌反硝化与异养反硝化这两条通路；3）NH₄⁺可得性是硝化菌反硝化发生的前提；4）较低的DO会同时增加两条反硝化通路的N₂O产量，但排放的增加主要源于硝化菌反硝化的增强；5）除了DO，有机碳可得性和较低的pH也会显著增加曝气期间由异养反硝化产生的N₂O。

这些发现具有重要的理论和实践意义。在理论上，该研究为理解全尺寸生物脱氮系统中复杂、非线性的N₂O动态提供了系统的、机制性的框架，弥补了当前模型在精确预测N₂O排放方面的不足。在实践上，研究结论直接指向了潜在的减排策略：维持较高的DO浓度（≥2 mg O₂·L^-1）是降低硝化菌反硝化贡献的关键；而在低DO条件下，应避免有机碳负荷过高和pH过低，以抑制异养反硝化产生N₂O。更重要的是，本研究建立的方法学为未来系统研究其他影响因素（如C/N比、温度、氯离子浓度等）对特定N₂O通路的影响提供了强大工具，并将有助于结合微生物群落分析，从操作和微生物生态两个层面更全面地理解N₂O排放，最终支持开发出普适、高效且基于机理的N₂O减排策略，助力污水处理行业实现净零排放目标。