这篇文档属于类型a，即报告了一项原创性研究的学术论文。以下是对该研究的详细介绍：
第一，研究的主要作者及机构、发表期刊及时间
本研究的主要作者包括Yingrui Liu、Yanying He、Feng Chen、Shuqi Ren、Tianhang Zhao、Tingting Zhu和Yiwen Liu，他们均来自天津大学环境科学与工程学院。该研究于2022年11月26日在线发表于《Chemical Engineering Journal》期刊，卷号为455，文章编号为140599。
第二，研究的学术背景
本研究属于环境科学与工程领域，重点关注污水处理中的脱氮过程及其温室气体排放问题。氧化亚氮（N₂O）是一种强效温室气体，其温室效应是二氧化碳的约310倍，且在污水处理过程中，N₂O排放占碳足迹的80%左右。脱氮过程既是N₂O的来源，也是其汇，因此控制脱氮过程中的N₂O排放对于减少碳足迹和温室效应具有重要意义。然而，在基于生物膜的脱氮系统中，由于电子供体不足和底物扩散限制，N₂O的积累是不可避免的，但其机制尚未被深入探索。本研究的目的是揭示电子竞争对N₂O还原能力的影响机制，并探讨絮体（flocs）在减轻N₂O生成中的作用。
第三，研究的工作流程
本研究分为多个步骤，主要包括反应器设置、批次实验、化学分析、微生物群落分析以及电子分布计算等。
反应器设置与合成废水
研究设置了两组8升的实验室规模生物膜反应器，分别作为单一脱氮生物膜系统（R1）和脱氮生物膜/絮体系统（R2）。反应器内填充了聚氨酯载体，并在其上培养了生物膜。R2中还添加了与生物膜等量的絮体污泥。反应器运行周期为6小时，包括20分钟的缺氧进料、300分钟的缺氧反应、30分钟的沉降和10分钟的排水。合成废水的组成与先前研究一致。
批次实验
批次实验分为非碳限制条件和碳限制条件两组。非碳限制条件下，甲醇作为电子供体，初始氮化合物浓度设置为30 mg N/L。碳限制条件下，有机碳加载速率分别为180、90和30 mg-COD/g VSS/h。实验通过添加不同组合的氮化合物（NO₃⁻、NO₂⁻和N₂O）来研究电子竞争对N₂O还原的影响。
化学分析
化学分析包括NO₃⁻、NO₂⁻和有机碳浓度的测定，以及液相N₂O的在线检测。NO₃⁻和NO₂⁻通过紫外分光光度法测定，溶解有机碳通过重铬酸钾法测定。N₂O微传感器用于实时检测液相N₂O浓度。
微生物群落分析
通过高通量测序技术分析了两个系统中的微生物群落结构。使用了16S rRNA基因的引物进行PCR检测，并对测序结果进行生物信息学分析。
电子分布计算
根据氮氧化物的消耗速率，计算了电子消耗速率和电子在脱氮还原酶（NAR、NIR、NOR和NOS）之间的分布。电子分布模式通过公式计算得出，用于解释电子竞争对N₂O还原的影响。
第四，研究的主要结果
1. 微生物群落特征
研究发现，两个系统中的微生物群落结构存在差异，但主要菌群均为变形菌门（Proteobacteria）和拟杆菌门（Bacteroidota）。尽管絮体系统中某些菌群的相对丰度略有增加，但微生物群落对N₂O还原的影响可以忽略不计。
电子竞争对N₂O还原的影响
在单一脱氮生物膜系统中，随着碳加载速率的降低，N₂O积累显著增加，最高达到0.95 mg-N/L。而在脱氮生物膜/絮体系统中，N₂O积累减少了32%。絮体系统表现出更强的N₂O还原能力，电子更多地流向NOS（氧化亚氮还原酶）。
电子分布模式
在单一脱氮生物膜系统中，电子倾向于流向上游电子池（NAR），而在脱氮生物膜/絮体系统中，电子更倾向于流向下游电子池（NIR）。这表明絮体能够有效减少电子竞争对N₂O还原的负面影响。
第五，研究的结论
本研究揭示了电子竞争对N₂O还原能力的影响机制，并证明了絮体在减轻N₂O生成中的重要作用。絮体能够有效减少N₂O积累，提高脱氮系统的环境可持续性。研究结果为污水处理厂减少N₂O排放提供了理论依据和策略支持。
第六，研究的亮点
1. 揭示了电子竞争对N₂O还原能力的影响机制，填补了该领域的研究空白。
2. 首次系统地研究了絮体在脱氮生物膜系统中的作用，证明了其减轻N₂O生成的有效性。
3. 通过批次实验和电子分布计算，提供了详细的氮氧化物代谢和电子竞争的数据支持。
第七，其他有价值的内容
本研究还探讨了不同碳加载速率对电子分布和N₂O还原的影响，为优化脱氮系统的运行参数提供了实验依据。此外，研究结果还为开发基于生物膜和絮体的混合脱氮系统提供了重要参考。