反硝化细菌转化NO产N2O性能研究

For the NOx from industrials, the current removal processes only degrades NOx into N2, but ignore the potential resource in NOx and can not realize resource recycling and reutilization. To tackle this problem, we put forward the research idea of using denitrifying bacteria to transform NO into N2O in this proposal. And we will further explore the technical characteristics and mechanism of denitrifying bacteria producing N2O using NO as reaction substrate in long-term. The main research contents include: (1) to explore the utilization efficiency of complex and gaseous NO by denitrifying bacteria under short and long term operational conditions; (2) to investigate the influence of different NO loads on the bacterial activity and conformation of key proteins, bacterial growth rate, microbial communities’ variation, and the N2O production yields. Through this proposal, the main aim is to understand the feasibility of N2O production by denitrifying bacteria using NO as the substrate, to clarify the effect of NO loads on reaction activity and growth rate of denitrifying bacteria. Finally, this research will provides a theoretical basis and support for the application of this technology, and a novel practical technology for the resource utilization of NO from industrial waste gas.

对于工业上产生的氮氧化物（NOx），现有的处理工艺均是将NOx转化为N2，实现无害化处理为主，忽视了NOx中蕴含的潜在资源/能源，未能加以回收利用。针对这一问题，本课题提出应用反硝化细菌转化一氧化氮（NO）产生氧化亚氮（N2O）的研究思路，探索反硝化细菌长期利用NO为反应基质产生N2O的技术特性和机制。主要研究内容包括：在短期、长期运行条件下，对比考察反硝化细菌对于络合态和气态NO利用效率变化；探索不同NO负荷对于反硝化细菌内部关键蛋白活性、构象，细菌生长速率，微生物群落变化，以及其对于整个反应体系产N2O效率的影响规律。通过本研究，旨在认识反硝化细菌利用NO作为基质稳定产N2O的可行性，阐明长期运行条件下NO对于反硝化细菌产N2O活性及自身生长速率的影响规律，为该技术的应用提供理论基础和支持，为工业企业废气中NO的资源化利用提供一种新型的可实用化技术。

在污水生物脱氮的过程中提高N2O产量，使其代替N2成为目标产物并进行回收利用，不仅可以解决污水处理过程中温室气体排放的难题，还可以实现氮素资源化的目标。本研究首先采用Fe(II)EDTA络合吸收NO，以制备Fe(II)EDTA-NO作为反应基质，确定最佳的Fe(II)EDTA-NO投加浓度为45 mmol/L。在45 mmol/L的Fe(II)EDTA-NO时，Fe(II)EDTA-NO脱除效率达到80.1%，N2O是主要的氮素气体产物，其回收效率达到52.6%。反应器中微生物的群落组成逐渐由高效的反硝化菌属(如Thauera、Azospira等)转变为一些对环境适应力更强、可以降解Fe(II)EDTA-NO的反硝化菌属(如Raoultella、Chryseobacterium、Simplicispira等)反硝化菌属的转变。NOS自身结构变化和cyt c电子传递能力减弱是NOS活性降低，导致N2O累积的主要原因。然后，进一步探索了不同浓度硫化物的作用下反硝化过程中NO3-的降解和N2O的产生情况，得到了最适合的硫化物投加量为120 mg/L，此时N2O的回收效率达到82.9%。NOS活性降低是由硫化物所引起的，当溶液中TDS浓度低于43.7 mg/L时，硫化物对NOS的抑制作用会减弱。硫化物不会与NOS发生反应，却可以改变cyt c的蛋白质的结构，从而降低cyt c传递电子的能力，进而导致NOS活性的降低。硫化物氧化可以为反硝化过程提供电子，S0是该过程的主要产物。最后通过构建了S-MDN反应器，探究出一个合适的有机碳源和硫化物的投加比例，COD与硫化物的投加的质量比为6：5，两者的投加浓度分别为180 mg/L和150 mg/L。按照该投加比例运行S-MDN反应器，NO3--N的脱除效率为90.6%，N2O为主要的氮素气体产物，N2O的回收效率达到60.5%。长期的硫化物作用迫使NOS的活性下降至初始时的44.2%。通过宏转录组的测定，可以发现NOS转录基因数的下调，是NOS活性降低的主要原因。与此同时，在该条件下长期运行，反应器也有着不错的S0回收效率，其回收效率达到96.5%。通过宏转录组的测定，可以发现反应器中转化S2-基因大幅上调，推测其是S2-氧化为S0的原因。