文献信息
英文题名
Denitrification by Purple Phototrophic Bacteria: A Carbon-Neutral and Resource-Efficient Route for Nitrogen Removal
作者
Xiaoshuai Peng, Siwei Yu, Chuanzhou Liang, Yifeng Xu, Lai Peng
期刊 / 年份
Sustainability 2025
DOI
10.3390/su17104504
卷期 / 页码
17(10): 4504
单位
武汉理工大学关键非金属矿产资源绿色利用教育部重点实验室；武汉理工大学深圳研究院；武汉理工大学矿产资源加工与环境湖北省重点实验室
一句话概括：研究优化PPB生长条件（光源、碳源），考察不同氮源与C/N比下的反硝化性能与动力学，并评估N2O排放与资源回收潜力。
一图不看也要知道的几件事
- WHO饮用水硝酸盐与亚硝酸盐限值分别为11.3 mg N/L与0.91 mg N/L；氮肥厂废水硝酸盐超67.74 mg N/L，食品加工废水氮源超100 mg N/L。
- 富集培养中红外光（IFL）与钨丝灯（IL）下Rps. palustris为优势属，丰度分别为68.5%与67.7%，Streptococcus与Lactobacillus均低于5%。
- IL与IFL下5天COD去除率约90%，约为其他光源组的2倍；IFL单价0.81 美元/单位、IL仅0.32 美元/单位。
- 碳源测试：乙酸钠（7.44 美元/公斤）最佳；葡萄糖7.34、蔗糖8.59、柠檬酸钠36.48、苹果酸钠67.35 美元/公斤。
- 硝酸盐理论C/N为2.86:1、亚硝酸盐1.71:1、N2O 0.57:1；理论条件下仅约30%被还原。
- 碳源充足（C/N 10:1）时，NO3−、NO2−、N2O去除率分别达100%、100%、71%。
- 硝酸盐去除率达0.68 mg N/L/h；亚硝酸盐真还原速率4.42 mg N/gVSS/h远高于硝酸盐1.51 mg N/gVSS/h。
- 碳源充足时硝酸盐去除过程N2O排放因子约0.17%，较常规异养反硝化减排约4倍；碳源不足时升至20%–30%区间。
- 常规反硝化N2O排放因子在1%–90%波动。
- PPB反硝化速率比异养反硝化菌低38.6%以上；Rb. sphaeroides对三种氮源去除率均为零（不具反硝化途径）。
- 脱氮后胞内蛋白与色素提升超过10%；估算增值产品收益约17.63 美元/公斤生物质。
研究背景与要解决的问题
硝酸盐与亚硝酸盐污染引起富营养化、藻华、缺氧并增加高铁血红蛋白血症与胃肠道癌症风险，需处理达标排放。
生物脱氮由NAR、NIR、NOR、N2OR四种酶催化；异养反硝化虽速率快，但常受碳源不足、运行成本高、污泥产量大及二次污染限制。
紫色光合细菌（PPB，含PSB与PNSB）代谢途径多样，可利用有机物、氨、NO3−、NO2−在光照或氧气条件下代谢，耐受高浓度抑制物（如60 g NaCl/L），且细胞富含蛋白、类胡萝卜素、细菌叶绿素与PHA。
PPB基废水处理有望同时实现污染物去除与资源回收，但其反硝化代谢动力学在不同条件下的特征尚不清楚，制约应用。
概念与技术边界
PPB（紫色光合细菌）
能进行不产氧光合作用的原核生物，含紫硫细菌与紫色非硫细菌，代谢途径多样。
反硝化四步酶
NAR→NIR→NOR→N2OR依次催化NO3−→NO2−→NO→N2O→N2。
表观速率与真速率
表观速率是宏观测量的净变化；真速率按反应机理逐级累加（R1=R1,a；R2=R2,a+R1等），更真实反映各步反应速率。
N2O排放因子
反硝化过程中产生的N2O与总消耗氮源之比，是评价温室气体排放的关键指标。
C/N比
碳氮比，决定电子供体是否充足；不同氮源完全还原所需理论C/N不同。
体系与方法
| 环节 | 做法与参数 |
|---|---|
| PPB富集 | 以武汉工业园厌氧污泥接种500 mL瓶（400 mL、10% v/v），150 rpm、30±1 ℃、pH 7.0±0.2、3000±100 lux，N2曝气7 min并覆液体石蜡保厌氧；比较钨丝灯（40 W）、红外光（钨丝灯加红外滤片）与蓝/绿/黄LED（20 W）。 |
| 生长测试 | 比较乙酸钠、葡萄糖、蔗糖、柠檬酸钠、苹果酸钠（等COD 3 g/L）对小分子碳源的利用，监测OD660与COD。 |
| 批次反硝化实验 | 合成废水（NaHCO3、CaCl2·2H2O、MgCl2·6H2O、NaCl、KCl与微量元素），25%接种、MLVSS约180–200 mg/L、500 mL瓶（工作体积400 mL）、30±1 ℃，分别以NaNO3、NaNO2、N2O为唯一氮源（50 mg N/L，N2O为0.38±0.02 mg N/L）；对比光照厌氧（3000±100 lux）与暗厌氧（<2 lux）；C/N设充足、理论、不足三档。 |
| 分析与动力学 | APHA标准法测NO3−/NO2−/COD（检出限0.1 mg/L），改良Lowry法测蛋白（检出限1 µg/L），分光光度法测类胡萝卜素与细菌叶绿素，GC测N2O；以线性回归求表观速率并除以MLVSS得比速率，再按公式累加求真速率。 |
| 群落与对照 | 16S rRNA测序（338F/806R引物）解析群落；以实验室保存的Rb. sphaeroides作对照；所有测试三次重复。 |
主要结果（原文图表逐条解读）
图示信息：并排饼图比较两种光源下群落组成，可见“others”占比在两组分别为12.6%与13.2%，并标注Rhodopseudomonas palustris为最大扇区；另有Streptococci与Lactobacillus小扇区。
论文结果：16S rRNA测序确认红外光（IFL）与钨丝灯（IL）下Rps. palustris均为优势属，丰度分别为68.5%与67.7%；Streptococcus与Lactobacillus均低于5%，不属于光合细菌类群；“others”占比约12.6%与13.2%。
研究意义：证明该富集体系以PNSB为主导，可用于后续反硝化研究且能排除其他异养反硝化菌干扰；但群落中仍存在少量其他菌，会在后续对碳源的竞争中被提及。
图示信息：折线图：横轴为时间、纵轴为生长量（OD类指标）；图例为乙酸钠（红圆）、葡萄糖（绿方）、蔗糖（蓝三角）等不同碳源；可见乙酸钠曲线上扬明显高于其他组。
论文结果：各组前24 h生长趋势相似（适应期）；24 h后乙酸钠组生长显著优于其他碳源。乙酸钠经乙醛酸循环促进有机物代谢与生物量合成，且更易被吸收；其价格（7.44 美元/公斤）与葡萄糖（7.34）、蔗糖（8.59）相近而远低于柠檬酸钠（36.48）与苹果酸钠（67.35）。因此乙酸钠被选为后续唯一有机碳源。
研究意义：说明碳源类型显著影响PPB生长与后续脱氮能力；乙酸钠可由有机废水厌氧发酵制得，具备与废水处理耦合的现实基础。
图示信息：三组柱/线图展示三种氮源在不同C/N比下的浓度变化。
论文结果：暗厌氧条件下三种氮源均未观察到脱氮，且富集体系中未检出可反硝化的非紫色光合细菌，可排除其他异养反硝化菌干扰。C/N为1:1或0.1:1时三种氮源含量均无显著变化（缺电子供体抑制反硝化）；理论C/N（NO3− 2.86:1、NO2− 1.71:1、N2O 0.57:1）下仅约30%被还原，因部分碳源被Lactobacillus等其他菌利用；碳源充足（C/N 10:1）时NO3−、NO2−、N2O去除率分别升至100%、100%、71%。
研究意义：确立PPB反硝化需光照+有机碳源+厌氧三要素，并量化C/N比阈值；碳源不足会显著削弱脱氮，同时提示实际体系存在菌群竞争碳源的问题。
图示信息：柱状图：图例区分“真还原速率”（蓝）与“表观还原速率”（红）；柱体标注4.42、4.42+X、4.45+X等数值，纵轴单位mg N/gVSS/h。
论文结果：亚硝酸盐真还原速率为4.42 mg N/gVSS/h，而硝酸盐真还原速率仅1.51 mg N/gVSS/h。这解释了以NO3−为氮源的三组实验中无论电子供体多少均未检出NO2−——因为NO2−被快速还原。传统异养反硝化菌的NO3−与NO2−真还原速率分别超过约5.8与7.2 mg N/gVSS/h，显著高于PPB。
研究意义：亚硝酸盐高还原速率是PPB反硝化避免亚硝酸盐积累的机制基础，有利于高效硝酸盐去除；但PPB整体速率低于异养菌，需通过菌株筛选与驯化弥补。
图示信息：两面板图：(a) N2O浓度随时间曲线；(b) 不同C/N下N2O排放因子柱状图。
论文结果：以NO3−与NO2−为氮源时，随反应进行N2O累积逐渐下降（PPB消耗N2O的量大于产生量）。无论C/N如何，以NO2−为氮源时N2O排放因子均高于以NO3−为唯一氮源时，因亚硝酸盐经影响转录因子活性抑制N2O还原酶（NosZ）表达，使NosZ无法利用充足电子供体完全还原N2O而致累积。碳源充足时NO3−去除过程N2O排放因子约0.17%。
研究意义：揭示氮源形态与碳源充足度共同决定N2O排放；控制碳源是抑制N2O过量生成的关键操作参数，为低碳脱氮提供依据。
图示信息：生物质中增值物质（蛋白、色素）在脱氮前后的含量变化，以及色素与蛋白收益估算。
论文结果：碳源充足下脱氮后PPB胞内蛋白与色素提升超过10%；增值产品收益估算约17.63 美元/公斤生物质，可缓解传统异养反硝化的污泥处置难题。
研究意义：说明PPB脱氮可实现污染物去除与资源回收耦合；但高值产品生产受光能消耗与放大技术瓶颈限制。
机制小结
- PPB在光照、有机碳源与厌氧三条件下进行反硝化，暗条件下三种氮源均无去除，说明光驱动代谢是必要条件。
- 硝酸盐经NAR还原为亚硝酸盐后，亚硝酸盐被高活性的NIR快速还原（真速率4.42 mg N/gVSS/h），从而不出现NO2−积累。
- 亚硝酸盐通过影响转录因子活性抑制NosZ表达，导致N2O还原受阻、排放因子升高，故以NO2−为氮源时N2O排放更高。
- 碳源不足时电子供体匮乏或被他菌竞争，反硝化不完全且N2O排放因子显著升高（20%–30%）。
- 乙酸钠经乙醛酸循环促进有机物代谢与生物量合成，是PPB最优小分子碳源。
工程与产业含义
- 光源可选钨丝灯（0.32 美元/单位）而非红外光（0.81 美元/单位）以降低成本，二者群落结构相似。
- 碳源推荐乙酸钠，其可由有机废水厌氧发酵制得，利于与高浓度有机废水耦合补给碳源，避免N2O过量积累。
- 反硝化速率低于异养菌（>38.6%），工程上需筛选/驯化高脱氮能力PPB菌株，并通过调控C/N与光暗周期维持PPB生态优势。
- 光照额外成本可通过间歇照明与LED阵列等反应器设计优化来平衡；PPB颗粒化（约50天，靠控上升流速）可改善收集难题。
- 选择具备完整反硝化基因（NAR/NIR/NOR/N2OR）的PPB菌株至关重要，部分菌株（如Rb. sphaeroides）完全无脱氮能力。
适用与不适用场景
✅ 适用场景
- 高氮废水（如氮肥厂废水>67.74 mg N/L、食品加工/啤酒废水>100 mg N/L）的低碳脱氮
- 希望同时回收蛋白、色素等高值产物的废水处理场景
- 对N2O排放有严格控制的污水脱氮工艺研发
⚠️ 不适用 / 需谨慎
- 无光照条件的污水处理场合（暗条件下PPB不脱氮）
- 碳源严重不足且无法补充的低C/N废水（反硝化不完全、N2O排放升高）
- 追求与异养反硝化同等高脱氮速率的场合（PPB速率更低）
局限与不确定性
作者未解决 / 需要读者注意的问题
- 研究为批次实验，无法模拟真实水利条件与长期运行稳定性，需连续反应器验证。
- 碳源不足时N2O排放因子升高至20%–30%，需额外补充碳源从而增加运行成本。
- PPB颗粒小、沉降性差，收集浓缩困难，可能增加整体成本。
- 反硝化速率较异养菌低38.6%以上，且与异养菌存在竞争，需调控维持其生态优势。
- 高值产品的风险与市场价值有待评估；光照额外成本需纳入考量。
- 富集体系中仍含少量非光合菌，会竞争碳源使反硝化不完全。
数据 · 代码 · 经费 · 利益冲突
数据可用性：数据可向通讯作者索取（Data available on request）。经费：国家自然科学基金（42477068）、深圳市科技计划（JCYJ20230807121305010）、长江水环境教育部重点实验室基金（YRWEF202302）、湖北省重点研发计划（2022BCA067）与武汉曙光计划知识创新项目（2023020201020317）。利益冲突：作者声明无利益冲突。原文为CC BY开放获取。