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导读
研究概述
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图1.实验运行期间香蕉皮作为唯一碳源和电子给体的NO3--N浓度变化。(a)在不同的影响因子实验中,NO3--N随时间变化的浓度;(b)在连续的17个运行周期中,进水和出水中NO3--N的浓度。(操作周期取决于香蕉皮的潜在碳释放能力) 通过实验条件优化实验,优化出最佳的实验条件:粒径为2.36-4.75 mm,初始pH值为7.0-11.0以及不外加磷源。并以此作为后续连续实验的实验条件。进一步研究了具有恒定碳源量的持久性实验,在17个持久性操作循环的开始和结束时,NO3--N均实现了良好的去除(图1b)。在持续的实验中,在连续的17个工作循环中,NO3--N含量降低,并且在每个循环结束时实现了NO3--N的完全去除。在整个反应过程中,5 g碳源去除了总计822.08±19.54 mg NO3--N。整个反应持续了超过1.5个月(1124小时),剩余物质仍然具有降解硝酸盐的能力,这意味着香蕉皮可以长期连续释放碳并有效去除硝酸盐。平均NO3--N去除负荷为164.42±1.15 mg/g-BP(表1)。零阶动力学速率常数经计算在17个周期内反硝化速率为2.50、2.35、2.00、2.64、3.00、4.69、1.09、1.31、1.77、1.56、1.32、0.96、0.90、0.57、0.33、0.25、0.16 mg /(L·h)(p <0.05),这进一步证实了香蕉皮释放的营养物质(如微量元素,磷和碳源)被消耗了,微生物活性随着反应的进行而降低。这种现象表明香蕉皮释放出的有机碳具有促进长期反硝化并保持微生物活性的作用。 本由“ 图2. 连续实验开始和结束的EEM光谱,COD浓度的变化和荧光强度总面积的变化情况(除COD测量外,所有样品均稀释5倍,操作周期取决于香蕉皮的潜在碳释放量)。 图3. EEM光谱中所有组分(a)的Fmax值和不同区域(b)的体积百分比(所有样品均稀释5倍)。 实验观察到主峰出现在区域V(Ex/Em=(340,370)/(430,460))(图2)中,区域V的百分比和Fmax值随着I,II,III和IV百分比的增加而降低(图3),这表明香蕉皮释放的碳源主要是来自于易转化为低分子物质的V区腐殖质样物质,降解后被微生物利用。GC-MS光谱显示,反应过程中的峰时间一致,并且随着反应的进行,峰显示出明显的下降趋势,这有助于证明香蕉皮中的有机物已分解并在反应过程中使用,该过程与在厌氧条件下大分子有机物的水解过程类似。V区的高Fmax值表明香蕉皮具有很强的电子传递能力(图3),腐殖质样物质的积累可能与木质素的降解有关。木质素可以降解为芳香剂。从图S3中可以看出,木质素的光谱负荷(Ex/Em =(275/380))首先急剧增加,然后逐渐降低55.87±1.47%(p < 0.05),与反硝化率的变化一致。这表明木质素的量与反硝化速率之间有很强的相关性。造成这种现象的主要原因是木质素对微生物的攻击具有抵抗力,并且可以抑制功能性微生物(如根瘤菌)的发酵,从而影响反硝化率。该结果进一步证明了电子传输速率与木质素的量具有正相关。此外,V区的Fmax值降低至54.49±0.86%(p < 0.05),表明已消耗了可生物降解的腐殖质样物质。将Ex/Em =(350/460)和Ex/Em =(330/400)的比率分别评估为腐殖酸样和黄腐酸样物质,这两种物质分别下降了61.05±1.47%和55.64±1.03%(p < 0.05)。因此,剩余的类腐殖质被认为来自难降解的木质素和腐殖化副产物。这些物质具有优异的环境稳定性和疏水性,并且易于与水分离。 进行初步质量和电子平衡以评估反应效率。根据等式(3),将CH1.50O1.05氧化为CO2的技术要求为83.86±0.91 mol,而香蕉皮的实际氧化过程释放出95.03±1.05 mol的电子。同时,仅使用18.45±0.25 mol电子将NO3−还原为N2,占香蕉皮氧化释放的电子总量的19.42±0.48%(p < 0.05),剩余的电子可能会促进微生物的生长和增殖。根据等式(3),每克香蕉皮的氧化可产生约1.33 g生物量。然而,较低的生物量产量可能导致更长的适应期,尽管可以通过在转向连续流动渗透性反应堆屏障方法之前进行水力循环来克服。根据式(3)中的C与N之比,C与N的质量比为11.11。我们可以根据已建立的硝酸盐量来计算要添加的碳源量,以最大程度地处理硝酸盐污染的地下水时的反硝化效率。在实践中,可通过可调碳源和污染物接触的结构设计轻松实现该过程。 由“ 图4. 基于香蕉皮的系统中的微生物群落组成。(a)门级和属级的丰度;(b)持续性实验前后的功能性微生物丰度变化。 在门和属水平上观察到一些可能导致NO3--N减少的关键物种(图4a)。在门级,生物反应器中产生了许多变形杆菌(37.84%)(图4a),是废水处理系统中脱氮的主要参与者。等人,2014年)。研究还表明,反应系统中包括丰富的硝化细菌,厌氧氨氧化细菌(AAOB)和亚硝酸盐氧化细菌(NOB)。拟杆菌(22.71%)能够将大分子有机化合物(例如纤维素,蛋白质和脂质)降解为简单的有机化合物。放线菌(11.40%)和绿屈菌(11.25%)也显着富集于生物反应器中,这与反硝化作用和碳源降解有关。值得注意的是,在持续性实验中,较高的厚壁菌门(相对丰度6.58%)可能会导致更好地补充碳源和反硝化性能。 在持续实验中,在属水平上也观察到了不同微生物群落的演变(图4b)。在反应结束时,主要功能微生物从接种污泥中的Anaerolineaceae和Thauera转变为Lentimicrobium and Anaerolineaceae, Aquabacterium,和Sanguibacter。Lentimicrobium(革兰氏阴性且能够处理高强度淀粉基有机废水)从接种量的0.66%急剧增加到14.66%,并在持续性实验结束时成为优势菌。另一方面,接种污泥中Anaerolineaceae的丰度从21.43%下降到10.22%。Anaerolineaceae是绿弯曲菌门中的主要属,它也是参与碳水化合物发酵过程的重要细菌。并且在厌氧条件下,Ananerolineaceae也可以通过发酵分解碳水化合物。 结论 这项研究评估了基于农业废物的反硝化碳源的长期利用。结论是,香蕉皮作为附加碳源具有较高的效率和连续的反硝化能力。香蕉皮可以连续释放碳并有效去除硝酸盐。同时,香蕉皮脱硝系统具有稳定性高,效率高,副产物少的优点。通过电子转移分析,定量分析了废弃农业副产品(以香蕉皮为代表)介导的生物反硝化过程。揭示了环境中反硝化过程中碳氮元素的生物地球化学循环机理。根据16S rRNA和功能基因的结果,主要功能细菌为Anaerolineaceae和Lentimicrobium,前者为反硝化细菌,后者为有机水解细菌。 参考文献 Wang, H., Chen, N*., Feng, C., Deng, Y., Gao, Y. 2020. Research on efficient denitrification system based on banana peel waste in sequencing batch reactors: Performance, microbial behavior and dissolved organic matter evolution. Chemosphere, 253, 126693
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