学术研究报告：低溶解氧对Comammox Nitrospira与AOB主导污泥中硝化衍生N2O排放的差异化影响机制

作者及发表信息
本研究由暨南大学环境与气候学院的Wanyi Liang、Deyong Li、Jiaying Wang、Ailing Li、Zhichang Ren和Guoqiang Liu（通讯作者）团队完成，发表于《Environmental Science & Technology》（DOI: 10.1021/acs.est.4c13924）。

学术背景
污水处理过程中，硝化作用是温室气体N2O的主要来源之一，其贡献可达污水处理厂碳足迹的50%以上。溶解氧（DO）是影响硝化效率和N2O排放的关键参数，以往研究表明低DO（<0.5 mg/L）会显著提升传统氨氧化细菌（Ammonia-Oxidizing Bacteria, AOB）主导污泥的N2O排放，但近年来发现的完全氨氧化细菌（Comammox Nitrospira, CMX）在低DO条件下的N2O排放行为尚不明确。本研究旨在揭示低DO对CMX和AOB主导污泥中N2O排放的差异化影响机制，为污水处理中N2O减排提供理论依据。

研究流程与方法
1. 污泥培养与表征
- 通过两个实验室规模的膜生物反应器（5 L）分别富集CMX和AOB主导的污泥。CMX反应器通过长期低氨氮（50 mg-N/L）和极长污泥停留时间（SRT）富集；AOB反应器通过短SRT（5天）和高氨氮（100 mg-N/L）富集。
- 采用qPCR和16S rRNA测序分析污泥中氨氧化微生物群落（AOB、CMX、氨氧化古菌AOA）的丰度，并通过氯酸盐抑制实验验证CMX的主导地位（抑制率94.8%）。

1. 批次实验设计

   • N2O排放与中间产物检测：在高低DO（4.0 vs. 0.2 mg/L）条件下，测定CMX和AOB污泥的N2O排放因子（EF）、中间产物（NH2OH、NO2−、NO）积累量，并利用同位素位点偏好（Site Preference, SP）分析N2O生成途径（硝化菌反硝化vs. NH2OH氧化）。
     
   • 非生物途径验证：在纯水、灭活污泥和活性CMX污泥中添加NH2OH（5–71 μM），测试高低DO对N2O生成的直接影响。
     

2. 功能基因表达分析

   • 通过RT-qPCR量化amo（氨单加氧酶）、hao（羟胺脱氢酶）、nir（亚硝酸还原酶）、nor（一氧化氮还原酶）等基因的mRNA水平，解析低DO对代谢途径的调控。
     

主要结果
1. N2O排放的差异化响应
- AOB污泥在低DO下N2O EF增加4.5倍（0.35%→1.91%），而CMX污泥N2O EF降低73%（0.20%→0.055%）。
- SP分析表明，AOB污泥中N2O主要来自硝化菌反硝化（占比>80%），而CMX污泥中80%以上N2O源于非生物NH2OH氧化。

1. 中间产物积累差异

   • AOB污泥在低DO下NH2OH积累量显著升高（0.018→0.067 mg-N/L），而CMX污泥积累量较低（0.004→0.009 mg-N/L）。
     
   • NO排放仅在AOB污泥中显著，且低DO抑制其释放（EF从0.09%降至0.03%），与nor基因上调导致的NO还原增强一致。
     

2. 非生物途径抑制机制

   • 在纯水和灭活污泥中，低DO显著抑制NH2OH氧化生成N2O（降幅>50%），证实低DO通过限制O2依赖性化学反应降低CMX污泥的N2O排放。
     

3. 功能基因表达

   • AOB污泥中，低DO上调nir和nor基因表达，促进硝化菌反硝化；CMX污泥缺乏nor和cytl（细胞色素P460）基因，依赖非生物途径。
     

结论与价值
1. 科学意义：首次阐明低DO对CMX和AOB污泥N2O排放的相反影响机制，填补了CMX在N2O生成途径中的认知空白。
2. 应用价值：通过富集CMX可稳定降低污水处理厂的N2O排放，尤其适用于低DO工艺（如节能型污水处理），减少碳足迹。
3. 模型优化建议：未来N2O预测模型需纳入氨氧化微生物群落结构参数。

研究亮点
1. 创新性发现：揭示了CMX依赖非生物NH2OH氧化的独特N2O生成途径，以及低DO对其的抑制作用。
2. 方法学贡献：结合SP同位素技术与功能基因定量，多角度解析N2O生成路径。
3. 工程指导性：提出通过调控微生物群落（如富集CMX）实现N2O减排的可行策略。

其他有价值内容
- 研究指出，CMX在低DO条件下的竞争优势可能源于其寡营养生长特性，这为污水处理工艺优化提供了新思路。
- 实验设计中对氯酸盐抑制剂的优化（0.6 mM）和NH2OH检测方法的改进（GC间接法）为类似研究提供了技术参考。