2023年8月8日国际知名期刊Science of the Total Environment在线发表了我院环境工程系张永明教授团队的最新研究成果：The roles of Rhodococcus ruber in denitrification with quinoline as the electron donor (红球菌在利用喹啉为电子供体进行反硝化中的作用)。论文详细介绍了该团队利用红球菌将难降解有机物——喹啉作为电子供体实现反硝化的研究内容并解释清楚了相关机理。Science of the Total Environment是环境科学与生态学领域的Top期刊，2023年最新影响因子为9.800，中科院分区为一区。
摘要·看点
污水脱氮是当今污水处理领域中的重点，亦是难点。其中，反硝化反应是脱氮的重要步骤。而反硝化通常需要提供充足的碳源作为电子供体使水中的氮得到有效去除。但提供生物可利用的电子供体会明显增加污水的处理成本。另一方面，一些工业污水所含的有机化合物则是免费或廉价的电子供体。在本项研究中，张永明教授团队首先利用喹啉驯化反硝化活性污泥，并从中筛选培育出了一株细菌——红球菌(Rhodobacter ruber)。该细菌可以使喹啉降解并释放出电子供体，而喹啉驯化的反硝化污泥则利用该电子供体实现氮的有效去除。该研究在国际上首次提出并实现了利用难降解有机物作为电子供体的反硝化反应。本研究的意义在于为利用工业污水尤其是难降解工业污水提供电子供体实现深度脱氮提供了理论依据。因为以往工业污水大多是纯粹地进行生物处理，这既需要大量的动力消耗，还浪费了蕴藏于有机物中宝贵的电子供体。该研究结果对于“双碳战略”的实施具有重要的理论和现实意义。
特点·原理
本论文深入探讨了红球菌(R. ruber)在反硝化过程中的作用。研究过程中，首先单独利用红球菌以喹啉为电子供体进行反硝化。实验结果发现红球菌可以高效地将喹啉降解(如图1(a)所示)，但硝酸盐却不能得到有效去除(如图1(b)所示)。
图1 单独利用红球菌以喹啉为电子供体进行反硝化反应
随后，又单独以喹啉驯化的反硝化污泥，再次以喹啉为电子供体进行反硝化实验。结果表明，由于没有加入红球菌，同样仅仅是使喹啉得到降解，但硝酸盐仍然没有得到有效去除(如图2所示)。
图2 单独利用喹啉驯化的反硝化菌以喹啉为电子供体进行反硝化反应
最后，将红球菌加入到喹啉驯化的反硝化污泥中，还是以喹啉为电子供体进行反硝化实验。结果表明，随着喹啉的降解，硝酸盐也得到有效去除。
图3 将红球菌加入到喹啉驯化的反硝化污泥中，以喹啉为电子供体进行反硝化反应
该项研究结果表明，红球菌在利用喹啉作为电子供体进行反硝化的机理是，红球菌在降解喹啉的同时，释放出蕴藏于喹啉中的电子供体，而喹啉驯化的反硝化污泥则利用这些电子供体促使反硝化顺利进行。其中，喹啉驯化的反硝化污泥中主要的反硝化菌是Ignavibacterium, Ferruginibacter和Limnobacter 等。图4形象地表明了红球菌在以喹啉为电子供体实现反硝化中的作用及其机理。
图4 红球菌在以喹啉为电子供体进行反硝化中的作用及机理
本论文得到环境模拟与污染控制国家重点联合实验室(清华大学)开放基金(16K10ESPCT)的资助。上海师范大学环境科学与工程专业2020级博士研究生谭冲同学为论文第一作者，张永明教授和阎宁副教授为共同通讯作者，合作者包括国际著名环境工程专家、斯德哥尔摩水奖获得者、美国工程院院士Bruce E. Rittmann教授。
论文链接：https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0048969723047538
（供稿、图片：环境工程系）
