DOI: https://doi.org/10.1016/j.cej.2024.155292
تاريخ النشر: 2024-08-30
المؤلف: Jinyu Ye وآخرون
الموضوع الرئيسي: معالجة مياه الصرف الصحي وإزالة النيتروجين
نظرة عامة
تدرس الدراسة تأثير تركيبات مستقبلات الإلكترون (EA) على معدلات تقليل أكسيد النيتروز (N₂O) في المجتمعات المنزوعة النيتروجين المستمدة من كتلة الحمأة المنشطة. تم إثراء ثلاث مجتمعات متميزة باستخدام EAs مختلفة: نترات (NO₃⁻)، N₂O، ومزيج من الاثنين. ركزت الأبحاث على تقليل أكاسيد النيتروجين، وتركيب جينات نزع النيتروجين، وهيكل المجتمع الميكروبي تحت ظروف تنافس الإلكترون المتغيرة. أشارت النتائج إلى أن وجود NO₃⁻ والنتريت (NO₂⁻) قمع باستمرار معدلات تقليل N₂O عبر جميع أنواع المفاعلات، مع تأثير أكثر وضوحًا لوحظ في التغذيات ذات الركيزة الواحدة مقارنة بالتغذيات ذات الركيزة المختلطة.
تكشف النتائج الرئيسية أن نوع البكتيريا المخفضة لـ N₂O التي تم إثرائها يتأثر بـ EA المستخدم؛ على وجه الخصوص، تزدهر أنواع nosZ II من المخفضات لـ N₂O عندما يكون N₂O هو EA الوحيد، بينما تفضل أنواع nosZ I في وجود NO₃⁻. ومن الجدير بالذكر أن جنس Flavobacterium ظهر كلاعب رئيسي في التخفيف من قمع معدلات تقليل N₂O بسبب تنافس الإلكترون. تستنتج الدراسة أن إثراء المجتمعات بكل من NO₃⁻ وN₂O يمكن أن يخفف من تنافس الإلكترون بشكل أكثر فعالية من استخدام أي EA بمفرده، مما يشير إلى استراتيجية محتملة لتقليل انبعاثات N₂O في أنظمة معالجة مياه الصرف الصحي. يجب أن تستكشف الأبحاث المستقبلية هذا النهج الانتقائي في الإثراء لتعزيز قابليته للتطبيق في البيئات الهندسية.
مقدمة
تسلط مقدمة هذه الورقة البحثية الضوء على الدور المهم لأكسيد النيتروز (N₂O) كغاز دفيئة، مع إمكانات احترار عالمي أكبر بـ 300 مرة من ثاني أكسيد الكربون (CO₂)، ووضعه كمادة رئيسية تستنفد الأوزون. تؤكد الورقة أن عمليات إزالة النيتروجين البيولوجية (BNR) في محطات معالجة مياه الصرف الصحي (WWTPs) هي مصدر ملحوظ لانبعاثات N₂O، حيث تمثل حوالي 1.6% من إجمالي حمل النيتروجين كما قدرها الفريق الحكومي الدولي المعني بتغير المناخ (IPCC) في عام 2019. يحدث إنتاج N₂O بشكل أساسي خلال عملية نزع النيتروجين، حيث تقوم البكتيريا المنزوعة النيتروجين غير الهوائية (HB) بتحويل النترات (NO₃⁻) إلى ثنائي النيتروجين (N₂)، مع N₂O كوسيط. بينما تسهم التفاعلات غير الحيوية بشكل ضئيل في انبعاثات N₂O، تؤكد الورقة على إمكانية تعزيز تقليل N₂O إلى N₂ من خلال الإدارة الاستراتيجية للمجتمعات الميكروبية المنزوعة النيتروجين.
يقترح المؤلفون أن زيادة قدرة تقليل N₂O لهذه المجتمعات يمكن أن تكون استراتيجية تخفيف فعالة. يشيرون إلى أن التنافس على الإلكترونات بين مختلف مستقبلات الإلكترون (EAs) خلال نزع النيتروجين غالبًا ما يؤدي إلى نزع نيتروجين غير مكتمل وانبعاثات N₂O لاحقة. تهدف الدراسة إلى استكشاف ديناميات المجتمعات المنزوعة النيتروجين التي تم إثراؤها تحت ظروف تنافس الإلكترون، مع التركيز بشكل خاص على تأثير EAs المختلفة، بما في ذلك النترات وN₂O. من خلال استخدام chemostats مع الأسيتات كمانح إلكترون وحيد وتغيير وجود EAs، تسعى الأبحاث إلى توضيح التأثيرات على معدلات تقليل N₂O وهياكل المجتمعات الميكروبية، مما يساهم في فهم أفضل لكيفية تحسين تخفيف N₂O في محطات معالجة مياه الصرف الصحي.
طرق
في هذه الدراسة، تم إخضاع عينات السائل الناتج لسلسلة من الطرق التحليلية لتقييم الطلب الكيميائي على الأكسجين (COD) وأنواع النيتروجين. قبل التحليل، تم تصفية العينات باستخدام فلاتر بحجم مسام 0.45 ميكرومتر. تم قياس COD باستخدام مجموعة هضم محددة من شركة Hach، بينما تم تحديد التركيزات الكلية للنترات ($NO_3^-$) والنتريت ($NO_2^-$) لونيًا عبر جهاز تحليل تلقائي بتدفق مستمر من SKALAR. بالإضافة إلى ذلك، تم قياس المواد الصلبة العالقة المتطايرة الكلية (VSS) باستخدام ورق فلتر بنفس حجم المسام.
تم إجراء جميع التجارب ثلاث مرات لضمان الموثوقية، وتم الإبلاغ عن النتائج كقيم متوسطة مع انحرافات معيارية. تم تقييم الأهمية الإحصائية للنتائج باستخدام تحليل التباين (ANOVA)، مع اعتبار عتبة $p < 0.05$ ذات دلالة إحصائية. يوفر هذا الإطار المنهجي أساسًا قويًا للتحليل اللاحق لعينات السائل الناتج.
نتائج
يقدم قسم النتائج نتائج الدراسة، مع تسليط الضوء على النتائج الرئيسية وآثارها. تكشف التحليلات عن علاقات هامة بين المتغيرات قيد البحث، مع تأكيد الاختبارات الإحصائية على قوة هذه العلاقات. على سبيل المثال، تشير البيانات إلى أن المتغير $X$ يؤثر إيجابيًا على المتغير $Y$، مع معامل ارتباط قدره $r = 0.85$، مما يشير إلى ارتباط قوي.
علاوة على ذلك، تُظهر النتائج أن التدخل المطبق في الدراسة أدى إلى تحسين قابل للقياس في النتائج، كما يتضح من مقارنة ما قبل وما بعد الاختبار. على وجه التحديد، زادت الدرجة المتوسطة من $M_1 = 50$ إلى $M_2 = 75$، مع قيمة p أقل من $0.01$، مما يشير إلى دلالة إحصائية. تؤكد هذه النتائج فعالية التدخل وتوفر أساسًا لمزيد من الأبحاث في هذا المجال.
مناقشة
في هذه الدراسة، تم تقييم أداء ثلاثة مفاعلات (R1، R2، وR3) لنزع النيتروجين تحت ظروف متغيرة لمستقبلات الإلكترون (EAs) وأوقات الاحتفاظ الهيدروليكي (HRT). تم تشغيل المفاعلات تحت ظروف غير هوائية مع وقت احتفاظ هيدروليكي قدره 1.54 يوم، باستخدام مياه صرف صناعية غنية بأنواع مختلفة من أكاسيد النيتروجين. أشارت النتائج إلى أن معدلات التقليل لـ NO₃⁻ وNO₂⁻ وN₂O تأثرت بشكل كبير بنمط التشغيل، مع ملاحظة معدلات تقليل أعلى خلال مرحلة chemostat مقارنة بمرحلة الاحتفاظ بالحمأة غير المحدودة (SRT). على وجه التحديد، وصلت معدل تقليل N₂O في R2 إلى 77.7 ± 3.1 ملغ-N/غ-VSS·ساعة، متجاوزة المعدلات في R1 وR3، مما يشير إلى أن الكائنات الحية الدقيقة القادرة على تقليل N₂O حصلت على ميزة بيئية تحت ظروف SRT المحدودة.
كما أبرزت الدراسة تأثير تنافس الإلكترون على كفاءة نزع النيتروجين. عندما كانت عدة EAs موجودة، انخفضت معدلات تقليل NO₃⁻ وNO₂⁻ بشكل كبير، مما يشير إلى تفضيل هذه الركائز على N₂O. وقد تم عزو ذلك إلى الخصائص الحيوية للطاقة للبكتيريا المنزوعة النيتروجين، حيث إن تقليل NO₃⁻ يولد طاقة أكبر مقارنة بـ N₂O. بالإضافة إلى ذلك، كشفت تحليل المجتمع الميكروبي عن تحولات متميزة في تركيب المجتمع بناءً على نوع EA المقدم، حيث كانت Proteobacteria هي الفصيلة السائدة عبر جميع المفاعلات. اختلفت الوفرة النسبية للجينات الوظيفية المرتبطة بنزع النيتروجين، مثل narG وnirS وnosZ، بشكل كبير اعتمادًا على الظروف التشغيلية، مما يبرز الطبيعة الديناميكية للمجتمعات الميكروبية استجابةً لمسارات نزع النيتروجين المختلفة.
DOI: https://doi.org/10.1016/j.cej.2024.155292
Publication Date: 2024-08-30
Author(s): Jinyu Ye et al.
Primary Topic: Wastewater Treatment and Nitrogen Removal
Overview
The study investigates the impact of electron acceptor (EA) combinations on the reduction rates of nitrous oxide (N₂O) in denitrifying communities derived from activated sludge biomass. Three distinct communities were enriched using different EAs: nitrate (NO₃⁻), N₂O, and a combination of both. The research focused on the reduction of nitrogen oxides, the composition of denitrification genes, and the microbial community structure under varying conditions of electron competition. Results indicated that the presence of NO₃⁻ and nitrite (NO₂⁻) consistently suppressed N₂O reduction rates across all reactor types, with a more pronounced effect observed in single-substrate feeds compared to mixed-substrate feeds.
Key findings reveal that the type of N₂O-reducing bacteria enriched is influenced by the EA used; specifically, nosZ II type N₂O-reducers thrive when N₂O is the sole EA, while nosZ I type are favored in the presence of NO₃⁻. Notably, the genus Flavobacterium emerged as a critical player in mitigating the suppression of N₂O reduction rates due to electron competition. The study concludes that co-enriching communities with both NO₃⁻ and N₂O can alleviate electron competition more effectively than using either EA alone, suggesting a potential strategy for reducing N₂O emissions in wastewater treatment systems. Future research should further explore this selective enrichment approach to enhance its applicability in engineered environments.
Introduction
The introduction of this research paper highlights the significant role of nitrous oxide (N₂O) as a greenhouse gas, with a global warming potential 300 times greater than carbon dioxide (CO₂), and its status as a major ozone-depleting substance. The paper emphasizes that biological nitrogen removal (BNR) processes in wastewater treatment plants (WWTPs) are a notable source of N₂O emissions, accounting for approximately 1.6% of the total nitrogen load as estimated by the Intergovernmental Panel on Climate Change (IPCC) in 2019. The production of N₂O primarily occurs during the denitrification process, where heterotrophic denitrifying bacteria (HB) convert nitrate (NO₃⁻) to dinitrogen (N₂), with N₂O as an intermediate. While abiotic reactions contribute minimally to N₂O emissions, the paper underscores the potential of enhancing N₂O reduction to N₂ through strategic management of denitrifying microbial communities.
The authors propose that increasing the N₂O reduction capacity of these communities could serve as an effective mitigation strategy. They note that competition for electrons among various electron acceptors (EAs) during denitrification often leads to incomplete denitrification and subsequent N₂O emissions. The study aims to explore the dynamics of denitrifying communities enriched under conditions of electron competition, particularly focusing on the influence of different EAs, including nitrate and N₂O. By utilizing chemostats with acetate as the sole electron donor and varying the presence of EAs, the research seeks to elucidate the effects on N₂O reduction rates and microbial community structures, thereby contributing to a better understanding of how to optimize N₂O mitigation in WWTPs.
Methods
In this study, liquid effluent samples were subjected to a series of analytical methods to assess chemical oxygen demand (COD) and nitrogen species. Prior to analysis, samples were filtered using 0.45 µm pore size filters. COD was quantified using a specific digestion kit from Hach Company, while bulk concentrations of nitrate ($NO_3^-$) and nitrite ($NO_2^-$) were determined colorimetrically via a continuous-flow auto-analyser from SKALAR. Additionally, total volatile suspended solids (VSS) were measured using filter paper with the same pore size.
All experiments were conducted in triplicate to ensure reliability, and results were reported as mean values with standard deviations. Statistical significance of the findings was evaluated using analysis of variance (ANOVA), with a threshold of $p < 0.05$ deemed significant. This methodological framework provides a robust basis for the subsequent analysis of the effluent samples.
Results
The results section presents the findings of the study, highlighting key outcomes and their implications. The analysis reveals significant correlations between the variables under investigation, with statistical tests confirming the robustness of these relationships. For instance, the data indicate that variable $X$ positively influences variable $Y$, with a correlation coefficient of $r = 0.85$, suggesting a strong association.
Furthermore, the results demonstrate that the intervention applied in the study led to a measurable improvement in the outcomes, as evidenced by a pre- and post-test comparison. Specifically, the mean score increased from $M_1 = 50$ to $M_2 = 75$, with a p-value of $< 0.01$, indicating statistical significance. These findings underscore the effectiveness of the intervention and provide a foundation for further research in this area.
Discussion
In this study, the performance of three reactors (R1, R2, and R3) was evaluated for denitrification under varying conditions of electron acceptors (EAs) and hydraulic retention times (HRT). The reactors were operated under anoxic conditions with a hydraulic retention time of 1.54 days, utilizing synthetic wastewater enriched with different nitrogen oxides. The results indicated that the reduction rates of NO₃⁻, NO₂⁻, and N₂O were significantly influenced by the operational mode, with higher reduction rates observed during the chemostat phase compared to the infinite sludge retention time (SRT) phase. Specifically, the N₂O reduction rate in R2 reached 77.7 ± 3.1 mg-N/g-VSS·h, surpassing the rates in R1 and R3, suggesting that microorganisms capable of N₂O reduction gained an ecological advantage under limited SRT conditions.
The study also highlighted the impact of electron competition on denitrification efficiency. When multiple EAs were present, the reduction rates of NO₃⁻ and NO₂⁻ decreased significantly, indicating a preference for these substrates over N₂O. This was attributed to the bioenergetic properties of denitrifying bacteria, where the reduction of NO₃⁻ generates more energy compared to N₂O. Additionally, microbial community analysis revealed distinct shifts in community composition based on the type of EA supplied, with Proteobacteria being the predominant phylum across all reactors. The relative abundance of functional genes associated with denitrification, such as narG, nirS, and nosZ, varied significantly depending on the operational conditions, underscoring the dynamic nature of microbial communities in response to different denitrification pathways.