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微生态:DNRA与反硝化的竞争

DNRA细菌不但在缺氧环境中与反硝化作用竞争氮源,还能存在于好氧和微好氧环境中,影响 硝化作用 https://zhuanlan.zhihu.com/p/414728325 ,从整体上影响着生物脱氮效果。 DNRA类似于反硝化过程,尽管 2^−$ 被进一步还原为 4^+$ 而不是 2$,转移八个电子。反硝化剂和硝酸盐酯都在争夺环境中的 3^−$。 反硝化的能量产

DNRA细菌不但在缺氧环境中与反硝化作用竞争氮源,还能存在于好氧和微好氧环境中,影响[硝化作用](https://zhuanlan.zhihu.com/p/414728325),从整体上影响着生物脱氮效果。

DNRA类似于反硝化过程,尽管 ^−$ 被进一步还原为 ^+$ 而不是 $,转移八个电子。反硝化剂和硝酸盐酯都在争夺环境中的 ^−$。

反硝化的能量产量在其一系列酶促反应中可能无法有效保存,[[硝酸铵化菌(DNRA菌)]]可能会实现更高的生长速率并胜过[[反硝化细菌(DNB)]]。

自然分布

在海洋沿海生态系统中,【DNRA】优于【反硝化作用】的条件包括:

• 高碳负荷和高硫酸盐还原率(例如沿海或河流径流区域)

• 未植被的潮下带沉积物

• 夏季气温高,^−$ 浓度低

• 高温和硫酸盐还原率高(产生高硫化物)的沼泽地,例如红树林

• 高有机物沉积(例如水产养殖)

• 有机质具有高 C/N 比值的生态系统

• 高电子供体(有机碳)与受体(硝酸盐)的比率

自然水域中的DNRA和反硝化占比

• 长江口:DNRA过程占硝态氮总还原量的3%~45%。

• 河口区: ^-$ 消耗以反硝化为主, $ 的产生主要是反硝化和DNRA过程的贡献;而在长江口滨岸沉积物–水气界面 $ 的排放可能主要是DNRA的贡献。

• 人工淡水湿地:DNRA过程占硝态氮总量的5%~15%。

• 地下水下方的人工湿地:DNRA和反硝化分别还原了40%~63%和14%~16%水中的硝酸盐。

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DNRA与反硝化过程是还原硝态氮的两个竞争途径。两者都是以有机物或无机物为碳源,在低氧条件下发生,大部分情况下存在此消彼长的关系。因此,针对DNRA过程潜在影响因素的讨论,主要从影响DNRA和反硝化过程之间竞争的因素进行分析。

氧化还原性、氧气浓度、亚硝酸盐与硝酸盐比例、碳氮比、温度、pH、二价铁离子、硫化物等都会对效果产生影响。

氧化与还原性环境对反硝化、DNRA的影响

DNRA的氧化还原电位低于反硝化作用并且产生的吉布斯自由能较少。在厌氧条件下,每摩尔^-$在DNRA过程中传递的电子(^-$)比反硝化过程(^-$)多,而厌氧条件下终端电子受体短缺,细菌更倾向于使用DNRA而非反硝化作为获取能量的途径。因此,DNRA过程倾向于在强还原条件下发生。

氧气浓度对反硝化、DNRA的影响

在周期性缺氧的河口,DNRA过程起主导作用,缺氧持续一段时间后,反硝化过程几乎完全消失。因此微氧而不是无氧环境更有利于反硝化作用的产生。

DNRA对氧化还原条件变化的敏感性低于反硝化过程,对$的敏感性较低

• $低于1 μmol/L :反硝化作用主导

• $高于1 μmol/L :DNRA作用主导

碳源种类

• 发酵型DNRA:葡萄糖的添加会刺激DNRA过程(当使用发酵碳源作为电子供体时,发酵过程会产生大量还原剂,有利于DNRA过程)

• 而其他碳源,如稻草、甘油、甲醇和琥珀酸盐不促进DNRA(上述碳源是发酵的不良产物)

• 乙酸盐作为呼吸型DNRA的底物时,其速率低于发酵型DNRA

• 同作为呼吸型DNRA底物的丙酸盐,DNRA速率低于乙酸盐。

• 与反硝化过程相比,天然有机碳源对DNRA过程的促进作用更大。

亚硝酸盐与硝酸盐比例对反硝化、DNRA的的影响

^-$和^-$的供应是决定DNRA的一个重要因素。

• 当提供足够^-$作为电子受体时,DNRA过程是主要的还原途径,DNRA细菌对^-$的亲和力强;

• 当^-$作为生物反应器中的末端电子受体时,反硝化作用普遍存在。

也有研究认为决定两个过程竞争的是^-$相对于^-$的比例。

• 高的^-$/^-$比例有利于DNRA过程,低比例有利于反硝化。

• 没有^-$的情况下,^-$的浓度并不影响两个过程的竞争。

目前,对于氮源的种类如何影响DNRA和反硝化过程的竞争还存在争议,硝态氮种类是否会成为废水处理中DNRA过程的潜在影响因素还需要进一步的研究。

[[水质:碳氮比]]

当^-$与有机碳相比具有限制性时有利于反硝化,因为有机碳每^-$被更“有效地”氧化(因为每个分子^-$被进一步还原)。反硝化作用和 DNRA 的平衡对环境的氮循环很重要,因为两者都使用^-$,但与产生气态、非生物利用度 $(氮气汇)的反氮化作用不同,DNRA 产生生物可利用的可溶性 ^+$。

分析:

• 碳源(DNRA过程的电子供体)

• 氮源(DNRA过程的电子受体)

具体影响

• 高碳氮比,DNRA过程更活跃

• 低碳氮比,反硝化过程更活跃

^8c1f74

因此水中的微量有机物更有利于反硝化过程,过量有机物反而对反硝化过程不利。 厌氧酸化反应器中反硝化和DNRA对酸化作用的影响,发现

• 当C/N从30增加到152时,通过反硝化作用去除的硝态氮从85.5%降到43.7%,而DNRA作用从14.5%增加到56.3%;

• 当C/N为50时,DNRA与反硝化速率的比例为0.6。

温度对反硝化、DNRA的影响

温度对于微生物的生命活动起决定性的影响,而由微生物介导的DNRA过程在温度较高的自然区域反应更剧烈,例如亚热带河口、海岸和海洋。在大多数海岸生态系统中,DNRA过程的占比和速率随季节变化,夏季高温增加了沉积物耗氧量,创造了更多的还原性条件,有利于DNRA过程。然而,受季节变化和地理纬度位置的影响,污水处理厂中水温很难保持恒定,这会导致活性污泥中细菌群落发生变化,从而影响处理效果。污水处理中,改变温度可调控^-$通过DNRA过程生成^+$,从而实现资源循环利用。有研究表明随着温度从10 ℃提高到40 ℃,DNRA过程显著增强。与反硝化过程相比,两者的速率随温度升高均增大,但DNRA速率的增量更大。因此许多情况下,低温更有利于反硝化。

pH对反硝化、DNRA的影响

pH值的变化会影响亚硝酸盐还原酶的活性,进而对DNRA和反硝化的机理过程产生影响。反硝化过程的最适pH值范围为6~8,在此范围内,反硝化速率随pH值的增大先增大后减小。而DNRA过程的最适pH值范围为5~9,与反硝化过程相比,中性及偏碱性的环境能够增强DNRA过程对硝态氮的竞争力。在中性和碱性水稻土中,DNRA过程是主要的氮转化途径,而在酸性水稻土中,这一过程可忽略不计。DNRA过程是一个产碱的过程,因此pH值和DNRA过程相互影响,相互制约。实际污水处理过程中,适当提高水温、维持中性、偏碱性的环境更有利于DNRA过程。

二价铁离子对反硝化、DNRA的影响

高含量的^{2+}$时会大大抑制反硝化作用,促进DNRA过程。

这一现象可能是由于高含量的 ^{2+}$ 通过破坏细胞内电子传输抑制了反硝化作用,从而促进DNRA过程。 $ 8Fe^{2+}+NO_3^-+21H_2O\xlongequal[]{}8Fe(OH)_3+NH_4^++14H^+ $

硫化物对反硝化、DNRA的影响

水中缺乏有机物作为碳源时,硫化物可以作为无机碳源,为反硝化和DNRA过程提供能源。硫化物也是决定呼吸DNRA和反硝化之间竞争的关键因素。最初研究表明

缓慢氧化的$更有利于反硝化过程

迅速氧化的$产生大量^{2-}$,有利于DNRA过程。

大量游离硫化物^{2-}$可以抑制反硝化作用中的$或$还原为$的过程,从而积累亚硝酸盐,为DNRA和硫化物代谢提供电子供体。进一步研究发现,游离硫化物与硝酸根的比值高会导致DNRA过程占优,低比例有利于反硝化。当mol比值大于1.3 S/N时,硝酸盐易通过DNRA途径还原为氨,硫化物也更偏向于被氧化为硫酸盐。在波罗的海中也观察到了同样趋势, ^{2-}$浓度达到40 μmol/L会刺激反硝化作用,更高的浓度则有利于DNRA过程。