在缺氧条件下，采用混合菌群进行生物阳极氧化氨的过程中产生的一氧化二氮

《Journal of Environmental Chemical Engineering》：Nitrous Oxide Production during Anoxic Bioanode Ammonium Oxidation with mixed cultures

本研究探讨生物阳极在缺氧条件下氧化氨氮时一氧化二氮的排放及形成途径，发现羟胺氧化是主要生成途径，占40%，亚硝酸盐还原为次要途径，微生物群落分析显示硝化菌占主导，但存在反硝化菌可能参与。结论强调需控制排放途径以减少N2O排放。

　　

作者：严晓芳、杨振秋、Sanne M. de Smit、刘丹丹、Cees J.N. Buisman、Annemiek ter Heijne

单位：瓦赫宁根大学与研究中心环境技术系，邮政信箱17，6700 AA，瓦赫宁根，荷兰

摘要

在生物阳极上对铵离子（NH₄⁺）进行无氧氧化为传统的生物氮去除（BNR）提供了一种可行的替代方案，该方法无需曝气，并能够直接产生氮气（N₂）。然而，这一过程中一氧化二氮（N₂O）的排放量尚不明确。本研究考察了在极化生物阳极（+0.55 V vs Ag/AgCl）上使用混合培养物进行无氧NH₄⁺氧化时N₂O的排放情况，重点研究了关键中间体——羟胺（NH₂OH）和亚硝酸盐（NO₂^-）在N₂O生成中的作用，以及参与N₂⁺生成的微生物功能群，旨在阐明生物阳极氧化NH₄⁺过程中N₂⁺生成的具体途径。结果表明，高达40%的氧化NH₄⁺转化为一氧化二氮（N₂），而亚硝酸盐（NO₂^-和硝酸盐（NO₃^-）的浓度相对较低（2.1%–11.1%）。研究表明，羟胺（NH₂OH）的氧化是一氧化二氮（N₂）生成的主要途径，可能涉及一氧化氮（NO）作为中间体。亚硝酸盐（NO₂^-的还原也促进了N₂⁺的生成，尽管程度较低；同时，原位N₂⁺的还原（由反硝化菌介导）为减少其排放提供了潜力。此外，一种类似电厌氧氨氧化（electro-anammox）的途径可以在不产生N₂⁺的情况下直接将NH₄⁺转化为氮气（N₂）。这些发现强调了基于生物阳极的系统可能产生大量N₂⁺的排放问题，并强调了控制相关途径以减少N₂⁺释放的重要性。

引言

一氧化二氮（N₂⁺是导致气候变化的重要因素，其温室效应强度是二氧化碳的约300倍[1]。随着气候变化的加剧，限制N₂⁺排放受到了更多关注。为此，欧盟出台了严格的法规，要求实现气候中和目标，N₂⁺也被纳入了排放配额的计算范围[2]。因此，减少N₂⁺排放已成为一项紧迫的环境任务。

在废水处理的生物氮去除（BNR）过程中会大量产生N₂⁺。在荷兰的全规模废水处理厂中，N₂⁺排放占总温室气体排放量的约1.9–21%[3]。因此，在评估氮（N）去除技术时，必须考虑N₂⁺的排放情况。微生物电解池（MECs）已成为废水处理中去除氮的一种有前景的方法[4]，尤其是针对原废水中主要的氮形式——铵离子（NH₄⁺[5]。在MECs中，电活性微生物通过施加适当的电位催化NH₄⁺的氧化，从而实现其去除。这种方法有可能降低能源消耗。先前的研究表明，MECs中的无氧铵去除所需的能量仅为传统好氧硝化过程的1/35[6]。这些节能效果可能源于无需曝气、无需外部有机碳进行反硝化，以及产生的污泥量较少。此外，阴极产生的氢气可作为一种有价值的副产品[4]。

已经在生物阳极上证明了NH₄⁺氧化的可行性[6]、[7]、[8]。然而，NH₄⁺转化为目标产物氮气（N₂）的选择性并不稳定，尤其是在生成一氧化二氮（N₂⁺方面。以往的研究大多忽略了生物阳极氧化NH₄⁺过程中N₂⁺的排放[7]、[9]、[10]，且现有数据结果不一致。例如，Vailjeliu-Pons等人报告称在阳极室中氧化NH₄⁺过程中没有N₂⁺生成[6]，而我们的研究在微氧条件下（溶解氧：0.02-0.05 mg-O₂/L）检测到约1%的N₂⁺转化为N₂⁺。此外，我们发现使用电极作为电子受体氧化NH₄⁺时，N₂⁺的生成量高于使用氧气时[11]。这些结果表明，生物阳极氧化NH₄⁺过程中N₂⁺的生成受到操作条件和微生物群落组成的显著影响，强调了系统评估N₂⁺排放的必要性。

评估N₂⁺的生成及其生成途径对于开发能够实现最小或零N₂⁺排放的技术至关重要。然而，MECs中NH₄⁺去除过程中N₂⁺的生成途径及其影响因素仍知之甚少。虽然传统BNR过程中的N₂⁺生成机制已被充分研究，主要包括两种途径：羟胺（NH₂OH）（生物硝化过程中的中间体）的不完全氧化生成N₂⁺，以及亚硝酸盐（NO₂^-通过一氧化氮（NO）还原生成N₂⁺[12]、[13]。这两种途径可能也参与了生物阳极氧化NH_{+过程中的N2⁺生成。首先，羟胺（NH2OH）与N2⁺的生成密切相关，尤其是通过硝化细菌的作用。Vilajeliu-Pons等人发现微生物的电化学氧化主要以羟胺（NH2OH）为底物[6]。同样，Pous等人观察到在Alcaligenes菌株HO-1中，羟胺（NH2OH）是电极的重要电子供体，该菌株可将NH4⁺转化为氮气（N2[14]。这些发现表明，羟胺（NH2OH）的氧化可能在生物阳极氧化NH4⁺过程中显著促进N2⁺的生成。}

对于亚硝酸盐（NO₂^-的还原途径，亚硝酸盐（NO₂^-是一氧化二氮（N₂⁺生成的已知底物，其积累会直接增加BNR过程中的N₂⁺排放[15]。一方面，氨氧化细菌（AOB）可以利用来自氨氧化的羟胺（NH₂OH）作为电子供体还原亚硝酸盐（NO₂^-并生成N₂⁺，这被称为反硝化菌的反硝化作用[16]。另一方面，反硝化细菌可以利用有机物或氢气作为电子供体将亚硝酸盐（NO₂^-还原为氮气（N₂），同时可能产生N₂⁺作为副产品。在生物阳极生物膜中检测到了AOB和反硝化细菌，这表明在生物阳极氧化NH₄⁺过程中亚硝酸盐（NO₂^-的还原可能促进N₂⁺的生成[11]。因此，了解生物阳极上羟胺（NH₂OH）和亚硝酸盐（NO₂^-的转化过程对于阐明N₂⁺的生成途径至关重要。

本研究旨在评估生物阳极无氧氧化NH₄⁺过程中的N₂⁺生成情况并探索其生成途径。通过长期无氧运行MECs，连续监测气体和液体相中的N₂⁺生成情况以量化其排放量。使用MECs反应器进行批次实验，评估了羟胺（NH₂OH）和亚硝酸盐（NO₂^-转化为N₂⁺的贡献。通过微生物群落分析确定了参与转化过程的微生物，并明确了反硝化菌活动在N₂⁺生成中的作用。这些知识有助于阐明N₂⁺生成的主要途径，并探讨减少排放的潜在策略，从而提高MECs在去除铵离子（NH₄⁺方面的应用效果。

反应器设计

构建了两个相同的双室MECs，并在相同的实验条件下进行操作。这些反应器与我们之前的研究使用的相同，未进行重新接种[11]、[17]。这些反应器已运行了560天。反应器配置的详细规格和图示（图S1）见支持信息（SI）。简而言之，MECs采用丙烯酸薄通道流式板构建，内部为方形结构

无氧生物阳极氧化铵离子过程中的N₂⁺生成

我们在无氧条件下连续运行MECs，以评估其在生物阳极上氧化NH₄⁺的性能及其对N₂⁺、亚硝酸盐（NO₂^-和硝酸盐（NO₃^-生成的选择性。阳极电位保持在+0.55 V vs Ag/AgCl，这与我们之前的研究一致，确保了NH₄⁺在生物阳极上的氧化[17]。 1总结了两个重复反应器（R1和R2）中的NH₄⁺去除效率和氧化产物的组成。NH₄⁺氧化效率范围为43.3%

结论

本研究旨在评估生物阳极无氧氧化NH₄⁺过程中N₂⁺的排放情况，并阐明其生成途径。主要结论如下：

• N₂⁺是生物阳极氧化NH₄⁺的主要副产物，占转化NH₄⁺的40%。
• 羟胺（NH₂OH）的氧化和亚硝酸盐（NO₂^-的还原都促进了N₂⁺的排放，其中羟胺（NH₂OH是主要途径，亚硝酸盐（NO₂^-是次要贡献者。
• 微生物群落主要由反硝化菌组成

^{补充材料 补充材料包括详细的反应器配置、反应器图示（图S1）、实验条件概述（表S1）以及库仑效率的计算结果，还包括来自微生物群落分析的属水平丰度和分类注释（表S1）。}

^{CRediT作者贡献声明} Annemiek ter Heijne：撰写、审稿与编辑、监督、资源管理、项目协调、资金获取、概念构思。 Cees J.N. Buisman：撰写、审稿与编辑、监督、概念构思。 Zhenqiu Yang：撰写、审稿与编辑、方法论设计、实验研究、数据分析、形式分析。 Xiaofang Yan：撰写、审稿与编辑、初稿撰写、数据可视化、验证、方法论设计、实验研究、数据分析、概念构思。 Dandan Liu：撰写 ^{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的研究结果。}

2025年8月30日，https://www.ncbi.nlm.nih.gov/sra/PRJNA1288234

致谢

本项工作得到了Paqell B.V和中国国家留学基金委员会（CSC，文件编号NO.202006260016）的资助，用于支付博士研究人员的工资。我们还要感谢Vinnie de Wilde和Michiel van de Broek来自Modu-Tech在实验装置搭建和系统运行方面的协助。同时，我们也感谢Pieter Gremmen、Lucian Wester和Beatriz Alvarado Perry在研究过程中的宝贵支持。