N和O雙同位素技術(shù)解析厭氧氨氧化分餾效應(yīng)的研究進(jìn)展

陳翠忠，孫志華，王健康，額熱艾汗，李俊峰，吳心蓉，劉生寶，杜可清

(石河子大學(xué) 水利建筑工程學(xué)院，新疆 石河子 832000)

近年來隨著污水處理技術(shù)的不斷發(fā)展，新型生物脫氮技術(shù)——厭氧氨氧化將很好地克服傳統(tǒng)脫氮過程中曝氣能耗高、有機(jī)碳源不足、產(chǎn)生溫室氣體及污泥產(chǎn)量高等缺點(diǎn)[1-2]，同時(shí)能夠?qū)崿F(xiàn)污水廠能源中和甚至能量回收[3]。Strous等[4]通過化學(xué)計(jì)量和物料衡算推導(dǎo)出厭氧氨氧化反應(yīng)方程式為：

+2.03H2O (1)

現(xiàn)階段厭氧氨氧化菌的發(fā)現(xiàn)呈現(xiàn)多樣化，菌種之間也存在差異性，菌種間的N和O遷移轉(zhuǎn)化過程由于功能微生物的作用，產(chǎn)生的分餾效應(yīng)也會(huì)呈現(xiàn)明顯的不同，定性定量問題成為關(guān)鍵，針對(duì)于低含量的海洋氮素及地下水氮素已經(jīng)不再制約質(zhì)譜儀測(cè)定，而對(duì)于實(shí)際脫氮系統(tǒng)來說相對(duì)還較少，了解新型工藝的同位素特性可以揭示反應(yīng)機(jī)理、詮釋反應(yīng)體系，為長期穩(wěn)定運(yùn)行提供可行性分析。

1 同位素轉(zhuǎn)化及分析

1.1 溶解態(tài)三氮轉(zhuǎn)化法

同位素質(zhì)譜儀只能接受N2O、N2及CO2等簡單氣體進(jìn)行測(cè)定，因此在進(jìn)行同位素測(cè)定前均需要將溶解態(tài)物質(zhì)轉(zhuǎn)化為氣態(tài)物質(zhì)，以此來滿足測(cè)定的要求。

表1 氮素轉(zhuǎn)化方法對(duì)比Table 1 The comparison of nitrogen transformation methods

圖1 氨氮轉(zhuǎn)化過程Fig.1 The process of ammonia nitrogen conversion

圖2 細(xì)菌反硝化測(cè)定同位素比值Fig.2 The isotope ratio of denitrification by bacteria

這種方法在測(cè)定過程中同時(shí)可以實(shí)現(xiàn)氮和氧雙同位素的檢測(cè)，通過動(dòng)力學(xué)模型分析即可實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確分析。通過標(biāo)準(zhǔn)品校正可以了解到同位素分餾、同位素交換校正，標(biāo)準(zhǔn)品校正過程中發(fā)現(xiàn)，測(cè)定結(jié)合和給定值吻合度很好，可以作為轉(zhuǎn)化的方法進(jìn)行數(shù)據(jù)分析。采用細(xì)菌反硝化的方法大大節(jié)省了成本及運(yùn)行時(shí)間，而且可以避免氮素之間的交叉污染。但培養(yǎng)細(xì)菌過程可能成為限制方法應(yīng)用的前提條件，不僅要進(jìn)行菌種的恢復(fù)和培養(yǎng)，而且還要保證菌種不被污染，大大限制了方法的靈活性。

圖3 硝氮轉(zhuǎn)化途徑Fig.3 Nitrate transformation pathway

1.2 同位素解析

在厭氧氨氧化反應(yīng)過程中，氮和氧同時(shí)參與反應(yīng)，隨著環(huán)境因素的變化，同位素豐度會(huì)呈現(xiàn)差異性，隨著反應(yīng)地進(jìn)行，底物和產(chǎn)物含量發(fā)生改變，同時(shí)也促進(jìn)了同位素的遷移轉(zhuǎn)化，通過動(dòng)力學(xué)模型實(shí)現(xiàn)反應(yīng)過程機(jī)理探究及氮素循環(huán)解析。同位素分析常常采用傳統(tǒng)的delta(δ) notion進(jìn)行樣品輕重同位素分析：δ15N vs air {δ15N=([15N/14N]sample/[15N/14N]air-1)×1 000，其中15R =15N/14N，空氣是標(biāo)準(zhǔn)大氣N2}[5，22]和δ18O vs VSMOW{δ18O=([18O/16O]sample/[18O/16O]VSMOW-1)×1 000，其中18R=18O/16O，VSMOW是指標(biāo)準(zhǔn)的維也納標(biāo)準(zhǔn)海洋平均水含量}[23-24]。在此基礎(chǔ)上還有稍有不同的表達(dá)方式[25-26]：

δ15N={[15N/(15N+14N)sample]/

[15N/(15N+14N)standard]-1}×1 000 (2)

δ18O={[18O /(18O+16O)sample]/

[18O /(18O+16O)standard]-1}×1 000 (3)

通過對(duì)比發(fā)現(xiàn)兩種計(jì)算模式僅相差0.25%，兩種定義方式可以看作是等價(jià)的。

反應(yīng)過程中同位素的分餾效應(yīng)隨著反應(yīng)的進(jìn)行呈現(xiàn)差異性變化，而反應(yīng)底物是否不斷補(bǔ)給或不同來源的混合同樣也會(huì)引起分餾效應(yīng)的變化，常常被分為封閉系統(tǒng)和開放性系統(tǒng)。

1.2.1 封閉性系統(tǒng)分析 封閉系統(tǒng)方法是一次性投加，之后不與環(huán)境進(jìn)行物質(zhì)交換的孤立系統(tǒng)，即不發(fā)生氣體損失，不進(jìn)行含氮物質(zhì)的交換及損失，這種封閉系統(tǒng)中分析同位素分餾過程的方法是由Mariotti等[27]分析所得：

αp/s=Rpi/Rs=(d15Ns/15Ns)/(d14Ns/14Ns)

(4)

αp/sln(14Ns/14Ns，0)= ln(15Ns/15Ns，0)

(5)

其中，Rpi，Rs表示產(chǎn)物和剩余底物同位素比率，αp/s表示同位素分餾因子，14Ns/14Ns，0表示反應(yīng)過程中和起始輕同位素比值，15Ns/15Ns，0表示反應(yīng)過程中和起始重同位素比值。同時(shí)可以得出f=Ns/Ns，0≈14Ns/14Ns，0，由于在自然系統(tǒng)中，15N豐度在0.366 3原子百分比(0.366 3± 0.018 3)附近變化很小，所以14N≈15N+14N的近似是有效的，由此推導(dǎo)出經(jīng)典“瑞利”方程：

δs-δs，0=εlnf

(6)

δp=δs，0-ε×flnf/(1-f)

(7)

1.2.2 開放性系統(tǒng)分析 開放性系統(tǒng)即在反應(yīng)過程中不斷添加底物，充分滿足微生物的底物要求，形成恒定同位素組成反應(yīng)底物池，少量的底物會(huì)隨著反應(yīng)產(chǎn)物一同流出反應(yīng)器來進(jìn)行同位素比值數(shù)據(jù)的分析[28]，保證充足的底物濃度，進(jìn)行非底物限制的培養(yǎng)。公式計(jì)算如下所示：

f×Rs+(1-f)Rp=Rs，0

(8)

Rp=Rs，0(1-fαp/s)/(1-f)

(9)

δs≈δs，0-ε(1-f)

(10)

δp≈δs，0+f×ε

(11)

2 同位素解析厭氧氨氧化機(jī)理

新型厭氧氨氧化工藝作為現(xiàn)階段污水處理脫氮主要的貢獻(xiàn)者，由于其獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)已經(jīng)從測(cè)流轉(zhuǎn)為主流工藝的應(yīng)用，組合工藝能夠?qū)崿F(xiàn)長期穩(wěn)定運(yùn)行厭氧氨氧化成為主要的貢獻(xiàn)者，可以彌補(bǔ)實(shí)際水廠碳源不足、基建費(fèi)用高、污泥產(chǎn)量大等弊端，促進(jìn)厭氧氨氧化長期穩(wěn)定運(yùn)行，了解反應(yīng)機(jī)理成為關(guān)鍵。在底物氨氮和亞硝轉(zhuǎn)化過程中，不僅轉(zhuǎn)化為氮?dú)?，同時(shí)還有硝氮的生成，這就促進(jìn)了氮和氧元素直接參與反應(yīng)體系，了解反應(yīng)過程中氮和氧同位素分餾效應(yīng)對(duì)于同位素解析反應(yīng)過程起到關(guān)鍵作用。結(jié)合硝化階段N和O雙同位素分析方法，了解厭氧氨氧化菌反應(yīng)機(jī)理及N和O同位素效應(yīng)分析見圖4。

圖4 厭氧氨氧化過程中同位素效應(yīng)Fig.4 Isotope effect in anammox processA.氮同位素效應(yīng)；B.氧同位素效應(yīng)

現(xiàn)階段關(guān)于分析厭氧氨氧化在反應(yīng)過程中同位素遷移轉(zhuǎn)化引起的同位素效應(yīng)研究相對(duì)較少，對(duì)厭氧氨氧化同位素參數(shù)進(jìn)行整理收集見表2。

表2 厭氧氨氧化同位素參數(shù)Table 2 The isotopic parameters of anammox

同時(shí)有研究也發(fā)現(xiàn)，由于氨氧化菌屬分布較廣，不同菌屬在系統(tǒng)發(fā)育上存在差異，可能具有不同的酶(如亞硝酸鹽還原酶)，其代謝途徑也不同，從而誘導(dǎo)的同位素效應(yīng)存在差異，對(duì)于N同位素效應(yīng)呈現(xiàn)：15εNH+4→N2維持在(30.9±0.2)‰～(32.7±0.7)‰，15εNO-2→N2不同菌之間差值較明顯，Ca.S.japonica和Ca.K.stuttgartiensis相對(duì)較接近分別為(19.9±1.7)‰和(16.0±4.5)‰[35]，而對(duì)于15εNO-2→NO-3表現(xiàn)出強(qiáng)烈的逆動(dòng)力學(xué)同位素效應(yīng)(15εNO-2→NO-3<0)[36]，也會(huì)存在亞硝和硝氮之間氮同位素交替或置換過程(如圖4)，通常將同位素變化過程和硝化或反硝化結(jié)合起來進(jìn)行分析，了解反應(yīng)過程的差異性。動(dòng)力學(xué)模型結(jié)合同位素測(cè)定數(shù)據(jù)才能更好地了解反應(yīng)過程中參數(shù)變化，對(duì)于厭氧氨氧化底物和產(chǎn)物轉(zhuǎn)化過程中，其分析過程如下所示。

銨同位素分餾進(jìn)行數(shù)據(jù)分析常采用的計(jì)算公式：

-ln(R15NNH+4)=15εNH+4→N2×ln(fNH+4)

(12)

ln(R15NNH+4)=ln[(δ15NNH+4(t)+1 000‰)/

(δ15NNH+4(t0)+1 000‰)] (13)

ln(fNH+4)=ln[NNH+4(t)/NNH+4(t0)]

(14)

NOX同位素分餾：

(15)

(16)

δN2(t+Δt)×N2(t+Δt)=δN2(t)×N2(t)+

(17)

其中，N2(t)和N2(t+Δt) 表示t和t+Δt時(shí)刻N(yùn)2濃度，δN2(t)和δN2(t+Δt)表示t和t+Δt時(shí)刻N(yùn)2同位素比值。在厭氧氨氧化氮素轉(zhuǎn)化過程中，氮素的轉(zhuǎn)化促進(jìn)了同位素動(dòng)力學(xué)參數(shù)的變化，并結(jié)合上述公式進(jìn)行分餾效應(yīng)分析。

3 結(jié)論及展望

厭氧氨氧化作為新型主流脫氮工藝已成功應(yīng)用于廢水處理，充分了解氮素轉(zhuǎn)化機(jī)理及反應(yīng)體系實(shí)際參與反應(yīng)的物質(zhì)對(duì)于指導(dǎo)工藝運(yùn)行起到至關(guān)重要的作用。在已有方法的基礎(chǔ)上總結(jié)氮素轉(zhuǎn)化方式，化學(xué)轉(zhuǎn)化成為水體研究厭氧氨氧化脫氮性能氮素轉(zhuǎn)化過程最可靠的方式，結(jié)合動(dòng)力學(xué)模型了解厭氧氨氧化氮和氧同位素效應(yīng)。N和O雙同位素技術(shù)可以明確厭氧氨氧化主流工藝過程中參與反應(yīng)的電子供體及實(shí)際參與反應(yīng)的物質(zhì)，了解脫氮過程動(dòng)力學(xué)和熱力學(xué)效應(yīng)，實(shí)現(xiàn)脫氮過程元素遷移轉(zhuǎn)化的定量及定性分析，但僅依靠同位素分析是不完善的，建議今后的研究領(lǐng)域如下：

(1)在城市污水處理中，常常同時(shí)存在多個(gè)反應(yīng)共同作用，硝化、反硝化、厭氧氨氧化或自養(yǎng)/異養(yǎng)反硝化共存等，反應(yīng)體系中產(chǎn)物由多個(gè)反應(yīng)共同參與，使得系統(tǒng)復(fù)雜多變，那么將數(shù)學(xué)模型的研究可能成為解決負(fù)荷系統(tǒng)的有效途徑。

(2)微生物多樣性決定了總氮損失路徑的多樣性，特殊功能菌共同作用形成了不同的脫氮途徑。但在實(shí)際工藝中，由于進(jìn)水基質(zhì)的復(fù)雜性和多數(shù)脫氮功能微生物的不可分離培養(yǎng)特性，缺少原位水平的活性細(xì)菌群落的調(diào)查?；贒NA的穩(wěn)定同位素探針技術(shù)(DNA-SIP)是一種原位連接活性微生物群落和特殊生態(tài)功能的有力工具，建議采用探針技術(shù)同步進(jìn)行微生物群落結(jié)構(gòu)分析。

(3)N和P是城市污水處理過程主要的對(duì)象，常常將脫氮作為主方向，化學(xué)法除磷的采用使得P的遷移變化常常被忽略，同時(shí)進(jìn)行N和P的同步分析可能能夠更好地分析污染物的去除關(guān)系。