反硝化过程中氧化亚氮释放机理研究进展

CHEMICALINDUSTRYANDENGINEERINGPROGRESS2017年第36卷第8期·3074·化工进展反硝化过程中氧化亚氮释放机理研究进展周晨，潘玉婷，刘敏，陈滢（四川大学建筑与环境学院，四川成都610065）摘要：氧化亚氮（N2O）是一种强效的温室气体并会严重破坏臭氧层，其在污水厂的释放问题被众多研究者所关注。为了更好地理解反硝化过程中N2O的释放机制，本文介绍了反硝化过程中N2O的产生途径和影响因素，涉及碳源、碳氮比、电子受体、溶解氧（DO）、pH、污泥龄（SRT）、N2O还原酶抑制物等方面。首先重点分析了反硝化过程中一些情况下N2O的积累原因，认为是四步反硝化酶对电子的竞争，电子竞争协同环境因素共同影响N2O的积累；随后分别从电子受体和电子供体角度介绍了呼吸链电子传递抑制剂以及氧化还原介质在反硝化过程中的应用情况，探讨了这两个方面应用于电子竞争研究的可能性；最后指出将反硝化过程中碳源氧化和氮氧化物还原的动力学剥离作为后期研究电子竞争的方向。本文有助于揭示电子竞争机制下反硝化过程中间产物尤其是N2O形成的作用机理，归纳出导致N2O在反硝化过程中积累的关键因素，可以成为污水厂中N2O减排的控制策略。关键词：反硝化；氧化亚氮（N2O）；电子竞争；电子传递抑制剂；氧化还原介体中图分类号：X703.1文献标志码：A文章编号：1000–6613（2017）08–3074–11DOI：10.16085/j.issn.1000-6613.2016-2422AdvanceofmechanismonN2OemissionsfrombiologicaldenitrificationZHOUChen，PANYuting，LIUMin，CHENYing（CollegeofArchitectureandEnvironment，SichuanUniversity，Chengdu610065，Sichuan，China）Abstract：Nitrousoxide（N2O）isapotentgreenhousegasandcanresultinthedestructionoftheozonelayer.N2Oemissionfrombiologicalnitrogenremovalindomesticwastewatertreatmentplanthasarousedwidelyattentioninrecentyears.TobetterunderstandthemechanismofN2Oproductionindenitrification，thisreviewconciselysummarizedthepathwaysofN2OproductionandtheinfluencingfactorsaffectingN2Oproduction，suchascarbonsource，C/Nratio，electronacceptor，dissolvedoxygen（DO），pH，solidretentiontime（SRT）andnitrousoxidereductaseinhibitors.Previousinvestigationindicatedthat，insomecases，electroncompetitionamongthefourreductionstepsindenitrificationcouldbetheultimatecauseofN2Oaccumulation，andelectroncompetitionmightcooperatewithsomeotherenvironmentalfactors，suchaspH，toconducetheN2Oaccumulation.Thisreviewthengaveanintroductiononthetechniquesofusingelectrontransferinhibitorstomanipulatetheelectronacceptor（s）involvedindenitrificationandusingredoxmediatorstoprovidefastusingelectrondonorsindenitrification，anddiscussedthepossibilityofapplyingbothtechniquestostudytheelectroncompetitionprocess.Finally，thisreviewproposedthatstudyingthecarbonoxidationprocessandthenitrogenreductionprocessseparatelycouldbeastrategytoinvestigatetheelectroncompetitionprocess.ThisreviewisconducivetorevealthekeyfactorsleadingtoN2Oandotherdenitrificationintermediates染治理。E-mail：[e-mail]。联系人：潘玉婷，博士，副教授，特聘副研究员，主要从事水污染控制技术研究。E-mail：[e-mail]。收稿日期：2016-12-28；修改稿日期：2017-02-26。基金项目：国家自然科学基金项目（51508355）。第一作者：周晨（1992—），女，硕士研究生，主要研究方向为水污第8期周晨等：反硝化过程中氧化亚氮释放机理研究进展·3075·accumulation，andtoprovideoperationstrategiestoreducetheN2Oemissionduringdenitrificationinwastewatertreatmentplant.Keywords：denitrification；nitrousoxide；electroncompetition；electrontransferinhibitors；redoxmediators氧化亚氮（nitrousoxide，N2O）是一种重要的温室气体，其化学性质稳定，在大气中存留时间长，平均寿命可达100～150年，全球增温潜势约为CO2的298倍[1-2]。并且，N2O可被输送到大气平流层发生光化学反应，消耗其中的臭氧，导致臭氧层破坏[3]。RAVISHANKARA等[4]指出，N2O是目前最重要的臭氧层破坏气体，而且这种状况将持续整个21世纪。因此，N2O释放已成为一个全球性的问题，需要采取有效措施控制N2O的释放。污水生物脱氮过程是N2O的一个重要人为排放源[5-6]。不同污水处理厂的N2O释放因子（污水厂释放的N2O中的含氮量/污水厂的进水总氮）相差很大[5,7]。目前已有的研究表明：污水处理厂中N2O释放因子在1%～25%[8-9]。这些数据大部分通过随机取样的监测方法获得，因此具有很大的不确定性。近些年，通过优化测量方案，采用在线监测的方法提高了测量精度，测得的N2O释放因子范围在0.01%～6.8%[10-16]。PAN和YE等[17-18]针对澳大利亚多所污水厂的实地在线测量中也发现，N2O释放因子在0.5%～1.9%。污水处理厂温室气体排放总量包括化石燃料燃烧导致的CO2排放以及各种其他温室气体如CH4、N2O的直接排放。研究表明：N2O释放因子为0.5%时，污水处理厂的温室气体排放总量将增长约20%；N2O释放因子达到2.5%时，污水处理厂的温室气体排放总量将增长约100%～200%[19]。比对已报道的污水厂中N2O释放因子数据可见，N2O有可能主导污水厂温室气体的排放总量。近十年来，随着我国废水集中处理量大幅度增加，强化废水的生物脱氮处理导致N2O排放量显著增加[7]。因此，N2O在污水处理过程中的释放问题不容忽视。污水处理过程中工艺（如氧化沟工艺、A/O工艺、SBR工艺等）的选择、运行参数（如碳源、底物浓度、pH、溶解氧等）的变化都会影响微生物的生存环境，进而对污水厂中N2O的释放和积累产生影响[20-21]。由于实际污水处理系统的复杂性和多样性，以及各种环境因素对硝化菌和反硝化菌产生N2O存在着繁杂的影响机制，因此对于N2O在污水厂中产生的具体机理，还存在有待研究的问题。本文针对污水处理反硝化过程中N2O的产生机理与影响因素进行综述，对呼吸链电子传递抑制剂以及氧化还原介质两方面的内容进行介绍，对反硝化电子竞争机制下N2O积累的相关机理进行分析与探讨。针对目前生物脱氮反硝化过程中存在的问题提出该领域需要进一步研究的方向，以期为今后开展相关领域的研究提供思路和参考。1反硝化过程中N2O的产生途径污水厂中的N2O主要是在生物脱氮过程，即硝化和反硝化中产生。硝化过程包括氨氧化和亚硝酸氧化两阶段，分别由两类化能自养微生物完成。氨氧化菌（aerobicammonia-oxidizingbacteria，AOB）把氨氮首先氧化为羟胺（NH2OH），再进一步氧化为亚硝酸盐，此过程的催化酶包括氨单加氧酶（ammoniamonooxygenase，AMO）和羟胺氧化还原酶（hydroxylamineoxidoreductase，HAO）；亚硝酸盐氧化菌（nitrite-oxidizingbacteria，NOB）将亚硝酸氧化为硝酸盐，此过程的催化酶为亚硝酸氧化还原酶（nitriteoxidoreductase，NXR）[5]。反硝化过程中，反硝化菌（化能异养兼性缺氧型微生物）在缺氧条件下，以有机物作为电子供体，将硝酸盐氮转化为氮气。典型的反硝化过程包括以下四步：NO3–→NO2–→NO→N2O→N2。反硝化过程是一个涉及多种酶[分别为硝酸盐还原酶（nitratereductase，NaR）、亚硝酸盐还原酶（nitritereductase，NiR）、一氧化氮还原酶（nitricoxidereductase，NoR）和氧化亚氮还原酶（nitrousoxidereductase，N2OR）]和多种中间产物并伴随着电子传递和能量产生的复杂生化反应过程[22]。基于目前的文献报道，硝化过程中的氨氧化过程和异养反硝化过程均会产生N2O[23-25]（见图1）。氨氧化过程中，N2O的产生主要包括以下两条途径：①少量的NH2OH被氧化为不稳定中间物质亚硝酰基团（NOH），N2O可以由NOH发生化学分解而产生[26]，另外，NH2OH氧化过程中产生的NO的生物还原过程也是N2O的潜在来源[27]；②AOB可以在O2不足时把少量亚硝酸盐还原为N2O[26,28-29]，这个过程被称作硝化细菌的反硝化作用，大多是指化工进展2017年第36卷·3076·图1硝化过程与异养反硝化过程中N2O的产生途径AMO—氨单加氧酶；HAO—羟胺氧化还原酶；NXR—亚硝酸氧化还原酶；NaR—硝酸盐还原酶；NiR—亚硝酸盐还原酶；NoR—一氧化氮还原酶；N2OR—氧化亚氮还原酶AOB对于亚硝酸盐的反硝化作用。研究认为AOB的基因组中并没有发现N2OR的基因编码[30]，说明AOB进行反硝化的终产物是N2O，而不是N2。目前，普遍认为AOB的反硝化作用是硝化过程中N2O产生的主要来源[31]。反硝化过程中，N2O产生于异养反硝化菌的反硝化作用。N2O是反硝化过程中必然的中间产物。正常情况下，N2O的还原速率高于硝酸盐或亚硝酸盐的还原速率，因此，N2O会被彻底还原为N2，而不易积累或释放[32]。但是四步反硝化还原酶（NaR、NiR、NoR和N2OR）的活性对外界环境因素变化而产生的响应不同。在一些情况下，当N2OR的活性受到较强的抑制时，有可能导致N2O的积累并释放到环境中。很多环境因素，诸如溶解氧（DO）、pH、碳源、抑制物等因素都有可能影响N2OR的活性，从而造成N2O的积累[33]。OTTE等[34]发现反硝化过程中N2O积累的深层次原因是各还原酶间对电子的竞争能力不同，其中以N2OR竞争电子的能力最弱。因此，当环境中电