集成微藻生物炼制厂在联合生产生物燃料和高价值化学品方面的技术经济可行性评估

《Bioresource Technology》：Techno-economic feasibility assessment of integrated microalgal biorefinery for coproducing biofuel and high-value chemicals

氮去除工艺中PD模式向PDA模式转变通过接种成熟厌氨氧化污泥，显著降低N?O排放（5.92%→0.037%），揭示微生物群落重构抑制nor基因表达及增强nosZ活性协同减排机制。

　　

Xinchun Ding|Jialei Li|Junqing Hou|Wei Zhao|Kailong Huang|Depeng Wang|Xu-Xiang Zhang

中国南京大学环境学院，水污染控制与绿色资源回收国家重点实验室，南京 210023

摘要

尽管部分反硝化（PD）-厌氧氨氧化（PDA）工艺因高效的氮去除能力而受到赞誉，但其对一氧化二氮（N₂O）排放的影响以及驱动这些排放的微生物机制仍不甚明了。本研究提出并验证了一种策略，通过接种成熟的厌氧氨氧化污泥，将氮去除途径从PD模式转变为PDA模式，从而减少N₂O的排放。这一干预措施显著降低了N₂O的排放量（排放因子从5.920%降至0.037%）。向PDA模式的转变促进了微生物群落的深刻重组，导致先前优势物种（如MAG.447、MAG.26和MAG.118）的数量减少。关键的是，这种群落变化限制了的一氧化氮还原酶（nor）基因的表达，尤其是MAG.447和MAG.408物种的基因表达，从而抑制了N₂O产生的主要途径。此外，nor和N₂O还原酶（nosZ）的表达比例降低表明，重组后的群落具有强大的N₂O还原能力，这主要归功于关键的非典型反硝化细菌（如MAG.80和MAG.408）的出现，这些细菌具有高水平的nosZ基因表达。总体而言，PDA模式下N₂O的显著减少是通过上游源控制（抑制N₂O产生）和下游消耗（增强N₂O还原）之间的协同作用实现的。本研究为PDA系统中N₂O的减排提供了成功的策略和深入的机制见解。

引言

废水处理领域的新兴范式将污染物去除与碳中和相结合，使得控制一氧化二氮（N₂O）成为首要任务（He等人，2023年）。部分反硝化（PD）通过将硝酸盐战略性地还原为亚硝酸盐，为厌氧氨氧化细菌提供了理想的底物，从而促进了厌氧氨氧化工艺的主流应用（Im等人，2025年）。然而，亚硝酸盐浓度的升高严重抑制了一氧化二氮还原酶（NosZ）的活性（Wu等人，2024年），导致大量N₂O作为最终产物释放（Niu等人，2025年）。因此，PD系统中的N₂O排放因子可高达10%（Cao等人，2024年），甚至超过了传统的硝化-反硝化系统（Liu等人，2023年）。尽管该工艺具有技术潜力，但这种内在的权衡使其成为N₂O的重要来源。因此，开发有效的减排策略对于充分发挥PD在可持续废水处理中的作用至关重要。

减少PD系统中的N₂O排放从根本上取决于防止亚硝酸盐的积累（Wu等人，2024年）。在这种背景下，将PD与厌氧氨氧化工艺结合，建立耦合的PD-厌氧氨氧化（PDA）系统是一种有前景的策略（Du等人，2019年）。理论上，厌氧氨氧化细菌对亚硝酸盐的消耗可以减轻对N₂O还原的抑制，从而抑制N₂O的排放（Kwon等人，2025年；Wu等人，2022年）。这一潜力还得到了厌氧氨氧化工艺本身较低N₂O排放因子的支持（Kuenen，2008年）。因此，本研究假设通过直接将厌氧氨氧化污泥接种到PD系统中，可以有效限制系统的N₂O排放。尽管PDA系统的氮去除性能优越，但其对N₂O排放特征的影响，特别是背后的微生物机制，仍需系统地阐明。

厌氧氨氧化系统中显著的N₂O排放是一种群落层面的现象，而非厌氧氨氧化细菌的直接代谢结果（Okabe等人，2011年）。这一特性主要归因于厌氧氨氧化污泥中存在的异养微生物，它们作为有效的N₂O汇（Conthe等人，2019年）。例如，转录活性研究表明，Burkholderiaceae、Chloroflexus、Rhodoferax和Azospirillum等微生物通过高表达nosZ基因发挥N₂O汇的作用（Suenaga等人，2021年）。因此，当使用厌氧氨氧化污泥接种PD系统时，不仅引入了厌氧氨氧化细菌，还引入了一群强大的N₂O还原细菌。同时，这种外源群落的引入会引发与本土PD菌群的复杂相互作用（Mai等人，2021年；Zhu等人，2024年）。这种相互作用可以重组整个群落并调节氮代谢途径，最终决定N₂O的产生和还原（Yan等人，2019年）。因此，PDA系统中的最终N₂O排放是这些复杂相互作用的综合结果。然而，这些微生物动态如何调节N₂O排放的机制仍不甚明了。

鉴于此背景，本研究对独立PD系统和耦合PDA系统进行了比较研究。尽管最终的工程应用是耦合的PDA工艺，但将其与独立PD工艺进行比较具有重要的科学意义。独立PD系统作为必要的基准，有助于定量评估厌氧氨氧化整合所带来的N₂O减排效率。此外，这种比较方法能够区分外源污泥接种的具体效应（Du等人，2019年；Zhang等人，2020年），明确亚硝酸盐消耗的作用以及引入的异养N₂O还原细菌的贡献。最后，了解PD阶段的N₂O特性对于管理PDA系统的启动和运行稳定性至关重要，在完全耦合之前，该系统可能暂时表现为独立的PD系统（Han等人，2021年；Yu等人，2023年）。

本研究的主要目标是：（1）评估和比较PD模式和PDA模式下生物反应器的N₂O排放特征；（2）研究微生物群落结构的差异，并阐明关键氮代谢网络的动态；（3）通过整合宏基因组分箱技术和meta-转录组分析，确定负责N₂O产生和还原的关键功能细菌。本研究的结果有望提供PD和PDA模式下N₂O动态的机制理解，并为基于PD的废水处理过程中N₂O减排策略的开发提供依据。

实验部分

生物反应器操作和实验策略

整个实验在实验室规模的扩展颗粒污泥覆盖层（EGSB）生物反应器中进行，有效工作体积为1升，分为两个不同的阶段以建立PD和PDA模式。生物反应器的操作水力停留时间为3小时，循环比为4:1。通过循环水浴系统将操作温度维持在30±1°C。进水pH值通过控制保持在7.5–8.0范围内

PD和PDA模式下的生物反应器性能

实验从启动PD生物反应器开始，此时出水中的NO₂^?-N浓度从1.98毫克/升显著增加到18.92毫克/升（图1），从而使NTR从6.7%增加到41.4%。达到准稳态后，NTR平均稳定在54.2%。值得注意的是，所得到的NTR低于富含碳的研究报告中的值，这一现象可以由本研究的操作限制解释。PD模式是在碳充足的情况下进行的

结论

本研究通过接种成熟的厌氧氨氧化污泥，将氮去除过程从PD模式转变为PDA模式，成功实现了N₂O排放的显著减少。这一干预促进了微生物群落的深刻重组，导致先前优势的反硝化细菌数量减少，同时丰富了新的功能组合。在基因水平上，这种更替有助于抑制norBC的活性

CRediT作者贡献声明

Xinchun Ding：撰写——原始草稿，可视化，正式分析，数据管理。Jialei Li：可视化，方法学，研究，数据管理。Junqing Hou：研究，数据管理。Wei Zhao：方法学，正式分析。Kailong Huang：数据管理。Depeng Wang：撰写——审阅与编辑，监督，方法学，研究，资金获取。Xu-Xiang Zhang：撰写——审阅与编辑，监督，项目管理，资金获取，概念化。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。

致谢

本研究得到了国家自然科学基金（编号52025102、52100068和52100082）和江苏省科技支撑项目（编号BE2022861）的支持。