Formation and Fate of Reactive Nitrogen during Biological Nitrogen Removal from Water: Important Yet Often Ignored Chemical Aspects of the Nitrogen Cycle

從水中生物脫氮過程中活性氮的形成和歸宿：氮循環(huán)的重要但經(jīng)常被忽視的化學(xué)方面

來源：Environ. Sci. Technol. 2024, 58, 22480?22501

論文總結(jié)：生物脫氮過程中活性氮的形成與歸宿

摘要核心內(nèi)容

論文系統(tǒng)綜述了生物脫氮（BNR）過程中活性氮中間體（RNI：羥胺/NH?OH、亞硝酸/HNO?、一氧化氮/NO）及其衍生物（RNS：NO?、N?O?、HNO等）的形成機制、化學(xué)轉(zhuǎn)化途徑與環(huán)境效應(yīng)。這些活性氮具有高反應(yīng)性與細胞毒性，可影響微生物互作、驅(qū)動有機微污染物（OMP）降解，并作為氧化亞氮（N?O）的前體，但其在工程系統(tǒng)中的意義長期被忽視。

研究目的

闡明RNI/RNS的微生物生產(chǎn)與化學(xué)消耗途徑

揭示環(huán)境條件（pH、DO、底物濃度）對RNI積累的影響機制

量化RNI在N?O非生物生成與OMP轉(zhuǎn)化中的作用

評述RNI檢測技術(shù)的進展與局限

研究思路

采用多尺度整合分析：

酶學(xué)層面：解析微生物（AOB、AOA、AnAOB等）中RNI的酶催化路徑（圖2A）。

化學(xué)層面：梳理RNI的化學(xué)轉(zhuǎn)化網(wǎng)絡(luò)（圖2B）及次級RNS生成機制。

系統(tǒng)層面：關(guān)聯(lián)BNR工藝條件（DO、pH）與RNI積累（圖4），評估其對N?O和OMP的環(huán)境效應(yīng)。

技術(shù)層面：總結(jié)RNI檢測方法（表2），強調(diào)原位監(jiān)測需求。

關(guān)鍵數(shù)據(jù)及其研究意義

1. RNI濃度數(shù)據(jù)（圖3）

數(shù)據(jù)來源：圖3A-C匯總了純菌培養(yǎng)與BNR反應(yīng)器中RNI的實測濃度。

NH?OH：0.11–14 μM（AOB純培養(yǎng)），0.34–4.4 μM（硝化反應(yīng)器）（圖3A）

NO??/HNO?：0.0022–58 μM（亞硝化/反硝化反應(yīng)器）（圖3B）

NO：0.0014–19 μM（AOA/AOB），0.011–0.27 ppm（反硝化反應(yīng)器）（圖3C）

研究意義：

證明RNI在BNR系統(tǒng)中普遍存在，且濃度受工藝調(diào)控（如高NO??積累促進NO生成）。

為量化非生物反應(yīng)貢獻提供基線數(shù)據(jù)（如酸性pH下HNO?濃度升高驅(qū)動N?O生成）。

2. RNI物化性質(zhì)（表1）

關(guān)鍵參數(shù)：電子構(gòu)型、氧化態(tài)、pKa、半衰期（如NO半衰期僅秒級）。

研究意義：解釋RNI的高反應(yīng)性根源（如自由基特性），預(yù)測其在動態(tài)環(huán)境中的轉(zhuǎn)化路徑。

3. 非生物反應(yīng)動力學(xué)（支持信息表S3）

關(guān)鍵反應(yīng)：

NH?OH歧化：2NH2OH→NH3+HNO+H2O

HNO?分解：2HNO2?NO+NO2+H2O（k=13.4M?1s?1）

研究意義：量化化學(xué)路徑對N?O的貢獻（如NH?OH + HNO? → N?O），修正傳統(tǒng)生物主導(dǎo)模型。

4. 非生物N?O產(chǎn)率（正文）

數(shù)據(jù)：酸性pH下（≤5），NH?OH + HNO?反應(yīng)貢獻顯著；堿性pH下NH?OH歧化主導(dǎo)。

意義：揭示pH是調(diào)控非生物N?O的關(guān)鍵因子，在典型BNR系統(tǒng)（pH 6.5–8）中非生物貢獻<3%。

5. OMP轉(zhuǎn)化數(shù)據(jù)（正文）

案例：磺胺甲惡唑（SMX）與NO??/NO反應(yīng)速率常數(shù)（kabio=0.15–48M?1s?1）。

意義：證實RNI介導(dǎo)的非生物降解貢獻OMP總轉(zhuǎn)化的40±19%，尤其在亞硝化系統(tǒng)中。

核心結(jié)論

RNI積累機制：微生物生產(chǎn)（酶催化）與消耗（生物/化學(xué)）失衡導(dǎo)致RNI瞬時積累，受pH、DO、底物濃度調(diào)控（圖4）。

環(huán)境相關(guān)性：

N?O非生物生成：酸性條件下NH?OH + HNO? → N?O路徑主導(dǎo)，但整體貢獻有限（<3%）。

OMP降解：RNI通過硝化/亞硝化反應(yīng)轉(zhuǎn)化OMP（如形成??N-硝基雙氯芬酸）。

檢測技術(shù)瓶頸：RNI半衰期短、干擾因素多（如H?S），需發(fā)展原位方法（如Unisense微電極）。

Unisense電極測量數(shù)據(jù)的研究意義

技術(shù)原理與優(yōu)勢（表2）

原理：Clark型傳感器，NO選擇性膜（硝化纖維素等），安培法檢測（氧化電流∝NO濃度）。

關(guān)鍵參數(shù)：檢測限0.03 μM，空間分辨率≈60 μm，響應(yīng)時間<5 s。

研究發(fā)現(xiàn)與意義

揭示瞬態(tài)NO動力學(xué)：

在AOB（Nitrosomonas europaea）中，低DO（<225 μM）使NO產(chǎn)量達NO??產(chǎn)量的40%（正文），證明O?限制促進NO從酶活性中心解離。

好氧-缺氧轉(zhuǎn)換期NO峰值（圖3C），表明動態(tài)條件激化硝化菌反硝化途徑。

修正微生物代謝模型：

AOA（Nitrosopumilus maritimus）中NO積累量比AOB低1–3數(shù)量級（圖3C），支持AOA的Cu-ME酶對NO的強結(jié)合能力。

反硝化系統(tǒng)中NO濃度（0.053–0.27 ppm）與pH負相關(guān)，驗證NOS酶在堿性條件下的活性抑制。

工程調(diào)控價值：

原位NO監(jiān)測為N?O減排策略（如優(yōu)化DO波動）提供直接參數(shù)。

結(jié)合??N標(biāo)記，區(qū)分生物/非生物N?O路徑（如NO作為硝化菌反硝化標(biāo)志物）。

局限與改進

干擾因素：NO??、H?S、抗壞血酸可能干擾信號。

發(fā)展方向：耦合熒光探針（如DAF-2）驗證特異性，開發(fā)多參數(shù)微電極陣列。

總結(jié)

該論文通過整合酶學(xué)、化學(xué)與工程視角，闡明BNR中活性氮的雙面角色——既是N?O的潛在前體，也是OMP降解的驅(qū)動者。Unisense微電極等原位技術(shù)為揭示RNI的動態(tài)行為提供了關(guān)鍵工具，未來需結(jié)合組學(xué)與先進傳感器深化對RNI調(diào)控機制的理解。