DOI: https://doi.org/10.1038/s44221-025-00430-x
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/40417422
تاريخ النشر: 2025-05-07
المؤلف: Nina Roothans وآخرون
الموضوع الرئيسي: معالجة مياه الصرف الصحي وإزالة النيتروجين
طرق
في هذه الدراسة، تضمنت الطرق التحليلية المستخدمة قياسات طيفية لتركز الأمونيوم ($\text{NH}_4^+$)، والنيتريت ($\text{NO}_2^-$)، والنيترات ($\text{NO}_3^-$) في السائل الفائق المصفى، باستخدام محلل منفصل من نوع Gallery ومجموعات اختبار الكوفيت. لقياس NO$_3^-$ بدقة، تم تخفيف العينات بحمض السلفاميك لتقليل تداخل NO$_2^-$. تم تحديد تركيز المواد الصلبة العالقة المتطايرة، التي تشير إلى تركيز الكتلة الحيوية، من خلال سلسلة من عمليات الطرد المركزي، والتجفيف، والاحتراق. بالإضافة إلى ذلك، تم مراقبة تركيزات O$_2$، CO$_2$، وN$_2$O في غاز العادم من المفاعل باستخدام محلل غاز العادم المتخصص ومستشعر ميكرو N$_2$O.
لنمذجة ديناميات نقل الغاز والسائل، تم إنشاء نظام من المعادلات التفاضلية العادية، يمثل موازين الكتلة لـ N$_2$O في كل من الطور السائل والغاز. تأخذ المعادلات في الاعتبار معدل استهلاك N$_2$O ومعامل نقل الكتلة الحجمي، مع تضمين معلمات مثل معامل هنري، وثابت الغاز المثالي، ودرجة الحرارة. تم تحسين معلمات النموذج من خلال تقليل الفجوات بين تركيزات N$_2$O المقاسة تجريبياً وتلك المحسوبة، مما يوفر رؤى حول كينتيك نقل الغاز خلال اختبارات الدفعة.
نقاش
تستكشف الدراسة الاستجابات الإيكولوجية الفسيولوجية لمجتمعات الميكروبات المعقدة في محطة معالجة مياه الصرف الصحي (WWTP) للتغيرات الموسمية، مع التركيز على انبعاثات أكسيد النيتروز (N₂O). على مدار فترة مراقبة مدتها 18 شهرًا، تم ملاحظة ذروتين كبيرتين في انبعاثات N₂O خلال الأشهر الباردة، تزامنت مع زيادة تركيزات الأمونيوم ($NH_4^+$)، والأكسجين ($O_2$)، والنيتريت ($NO_2^-$). على الرغم من الجهود المبذولة لتعزيز مستويات الأكسجين المذاب لتخفيف تباطؤ النترجة الناتج عن درجة الحرارة، ظل $O_2$ عاملاً محددًا للنترجة خلال هذه الذروات. وجدت الدراسة ارتباطًا قويًا بين تركيزات $NO_2^-$ و$O_2$ (معامل بيرسون 0.8)، وارتباطًا ملحوظًا بين $N_2O$ و$NO_2^-$ (معامل 0.7)، مما يشير إلى أن تركيبة المجتمع الميكروبي وتغيرات التعبير البروتيني، بدلاً من مجرد تحولات النشاط، هي التي تدفع انبعاثات N₂O الموسمية.
بالإضافة إلى ذلك، استخدمت الأبحاث تحليلات الميتاجينوم والميتابروتيوم لتقييم تنوع الميكروبات والإمكانات الوظيفية. تم تحديد ما مجموعه 349 جينومًا تم تجميعها من الميتاجينوم عالي الجودة (HQ MAGs)، تغطي 31 شعبة و272 جنسًا، مع كون الأكثر وفرة هو *Candidatus Microthrix* و*Nitrospira*. كشفت التحليلات الميتابروتيومية عن 3,868 مجموعة بروتين فريدة، مع اختلافات كبيرة في الوفرة النسبية للأنواع الرئيسية بين بيانات الميتاجينوم والميتابروتيوم. ومن الجدير بالذكر أن المجتمع النترجي النشط كان ممثلاً بشكل جيد في MAGs، مع هيمنة *Nitrosomonas* و*Nitrospira* في نقابات الأكسدة الأمونية والأكسدة النيتريتية، على التوالي. تؤكد هذه المقاربة الشاملة على التفاعل المعقد بين ديناميات المجتمع الميكروبي والمعلمات التشغيلية التي تؤثر على انبعاثات N₂O في محطات معالجة مياه الصرف الصحي.
DOI: https://doi.org/10.1038/s44221-025-00430-x
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/40417422
Publication Date: 2025-05-07
Author(s): Nina Roothans et al.
Primary Topic: Wastewater Treatment and Nitrogen Removal
Methods
In this study, the analytical methods employed involved spectrophotometric measurements of ammonium ($\text{NH}_4^+$), nitrite ($\text{NO}_2^-$), and nitrate ($\text{NO}_3^-$) concentrations in filtered supernatants, utilizing a Gallery Discrete Analyzer and cuvette test kits. For accurate NO$_3^-$ measurement, samples were diluted with sulfamic acid to mitigate NO$_2^-$ interference. The volatile suspended solids concentration, indicative of biomass concentration, was determined through a series of centrifugation, drying, and combustion processes. Additionally, the concentrations of O$_2$, CO$_2$, and N$_2$O in the reactor off-gas were monitored using a specialized off-gas analyzer and a N$_2$O microsensor.
To model the gas-liquid transfer dynamics, a system of ordinary differential equations was established, representing the mass balances of N$_2$O in both the liquid and gas phases. The equations account for the consumption rate of N$_2$O and the volumetric mass transfer coefficient, with parameters such as the Henry coefficient, ideal gas constant, and temperature incorporated. The model’s parameters were optimized by minimizing the discrepancies between the experimentally measured and calculated N$_2$O concentrations, thereby providing insights into the kinetics of gas transfer during the batch tests.
Discussion
The study investigates the ecophysiological responses of complex microbial communities in a wastewater treatment plant (WWTP) to seasonal variations, focusing on nitrous oxide (N₂O) emissions. Over an 18-month monitoring period, two significant N₂O emission peaks were observed during colder months, coinciding with increased concentrations of ammonium ($NH_4^+$), oxygen ($O_2$), and nitrite ($NO_2^-$). Despite efforts to enhance dissolved oxygen levels to mitigate temperature-induced nitrification slowdowns, $O_2$ remained a limiting factor for nitrification during these peaks. The study found a strong correlation between $NO_2^-$ and $O_2$ concentrations (Pearson coefficient of 0.8), and a notable correlation between $N_2O$ and $NO_2^-$ (coefficient of 0.7), suggesting that microbial community composition and protein expression changes, rather than mere activity shifts, drive seasonal N₂O emissions.
Additionally, the research employed metagenomic and metaproteomic analyses to assess microbial diversity and functional potential. A total of 349 high-quality metagenome-assembled genomes (HQ MAGs) were identified, covering 31 phyla and 272 genera, with the most abundant being *Candidatus Microthrix* and *Nitrospira*. The metaproteomic analysis revealed 3,868 unique protein groups, with significant differences in the relative abundance of key taxa between metagenomic and metaproteomic data. Notably, the active nitrifying community was well represented in the MAGs, with a dominance of *Nitrosomonas* and *Nitrospira* in the ammonia-oxidizing and nitrite-oxidizing guilds, respectively. This comprehensive approach underscores the complex interplay between microbial community dynamics and the operational parameters influencing N₂O emissions in WWTPs.