紫外和电子介体作用下海洋厌氧氨氧化菌脱氮性能研究

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厌氧氨氧化是一种新型生物脱氮工艺,具有广阔的应用前景,尤其是海洋厌氧氨氧化菌(marine anammox bacteria,MAB)对高盐环境表现出良好的适应性。但是,菌体倍增时间长、对环境条件敏感等仍然制约着该工艺的工业化应用。本研究的目的是探索紫外(ultraviolet,UV)和电子介体是否能够促进MAB的富集或酶促反应的电子传递效率,最终实现MAB脱氮性能的强化。本研究结果表明MAB对UV-C的耐受能力高达12000 mJ/cm2,此剂量是强化MAB富集的最佳剂量,与对照组相比,该剂量下反应器中MAB的相对丰度提高了1.19倍。当UV剂量高于12000 mJ/cm2时,MAB的脱氮效率逐渐受到抑制,且在短期内的恢复程度与UV剂量呈负相关关系。与此同时,对环境变化具有高适应性的共生异养菌(如Reinekea、Marinobacte和Halomonas)的相对丰度增加,自养硝酸盐/亚硝酸盐还原以及反硝化途径被强化,导致ΔNO2--N/ΔNH4+-N、ΔNO3--N/ΔNH4+-N逐渐偏离理论值。在此过程中,过量分泌的胞外聚合物和MAB独特的生理学结构可作为UV作用下维持微生物及其关键酶活性的一级、二级防御机制。另外,功能基因预测分析表明MAB对UV的耐受机制还包括:暗修复、信号转导、渗透调节、种间合作/竞争、增强胞外结构和细胞运动性等。蒽醌-2-磺酸钠(9,10-anthraquinone-2-sulfaonate,AQS)和核黄素(riboflavin,RF)可促进厌氧氨氧化反应初期的基质转化速率,最高可达对照组的2.19倍(0.02 Mm AQS)和1.48倍(0.05 mM RF)。同时,通过强化反硝化过程降低了NO3--N浓度。然而,当二者的浓度高于0.05 mM时,MAB的脱氮效率明显下降。相比之下,MAB对AQS的耐受性高于RF,AQS和RF的半抑制浓度分别为0.3 mM和0.1 mM。它们在MAB的电子传递链中发挥了一定的积极作用,但MAB对有机物的敏感性、AQS的细胞毒性以及RF的生物转化是导致反应器脱氮效率下降的主要原因。因此,对MAB而言,AQS和RF并非理想的电子介体。再次修正的Logisitic模型和修正的Boltzmann模型对描述AQS和RF(浓度≤0.3 mM)作用下MAB的脱氮过程具有较好的适用性。
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