清华大学席劲瑛团队ACS ES&T Engg.：中高温条件下NO浓度对NO生物反硝化转化为N₂O的影响及机理

工业烟气中的NO通常采用选择性催化还原（SCR）或选择性非催化还原（SNCR）等化学方法去除。近年来，络合吸收-生物还原技术受到广泛关注，其中Fe(II)EDTA因吸收速率快、容量大、无生物毒性、难降解且成本低，成为生物法处理中NO的主要吸收剂，能够实现NO从气相向液相的高效转移。Fe(II)EDTA吸收NO后生成的络合物Fe(II)EDTA-NO，可在液相中通过反硝化菌还原为N₂O或N₂，在特定条件下以N₂O作为最终产物。

N₂O是一种温室气体，但也具有资源化利用价值。因其氧化性能优于O₂，目前已作为某些特殊装备（如火箭等航天器）的燃料，还广泛应用于化学合成、食品添加和医疗保健等领域。在之前的研究中，我们已经在中高温条件（45℃）下实现了82%的N₂O/NO转化率，不仅优于中温条件下的报道结果，还更接近烟气吸收后吸收液的实际温度（45-70℃）。然而，NO在反硝化过程中，即是电子受体，也对细胞具有一定的毒性，会影响NO还原酶（NOR）和N₂O还原酶（N₂OR）的活性，从而影响N₂O的积累。此外，NO还会影响关键微生物和功能基因的表达。探究NO浓度对N₂O生成的影响及机制对优化N₂O生成具有重要意义。

为进一步提高中高温条件下N₂O的产率，清华大学环境学院席劲瑛教授团队在中高温条件下（45℃）实现了最高92%的N₂O产率，气相浓度可达1.3×10 ⁵ mg/m ³ N₂O，并确定了20 mM为适宜的初始NO浓度。通过16S rRNA和宏基因组测序，明确了其中的关键微生物，并发现 nos 缺陷型微生物 Escherichia-Shigella 无法将N₂O还原为N₂，且其含有的 nor VWR 基因是NO转化为N₂O的关键。该研究为烟气污染物的高效去除与资源化利用提供了重要理论依据。

图1：不同初始NO浓度下的N ₂ O产率和气相N ₂ O浓度。

在中高温条件下（45℃），当初始NO浓度为20 mM时，可以实现最高92%的转化率，同时气相中的N ₂ O浓度达到1.3×10 ⁵ mg/m ³ ，显著高于目前中温下的报道（转化率小于80%）。

图2：不同初始NO浓度下的NOR和N ₂ OR活性变化。

NOR活性随着NO浓度从5 mM增加至20 mM而上升，但当NO浓度增加至40 mM时，NOR活性则出现下降趋势，这表明高浓度NO抑制了NOR的活性。而N ₂ OR活性始终随着NO浓度的增加而逐渐下降。NOR/N ₂ OR的比值在初始NO浓度为20 mM时达到最高，解释了该NO浓度下最适合积累N ₂ O的原因。

图3：微生物群落构成和相关性分析。

利用16S RNA对微生物群落结构组成进行了分析。RDA分析表明，N ₂ O积累与 Propionicicella 和 Escherichia-Shigella 呈正相关。LDA分析表明， Escherichia-Shigella 在初始NO浓度为20 mM的体系中，与其他组的相对丰度存在显著差异。 Escherichia-Shigella 可能该体系下的关键微生物。

图4：宏基因组学分析Escherichia及其功能基因丰度。

Escherichia 中与氮生物转化相关的基因主要富集于NO浓度为20 mM的样品中，还有少量的基因存在于NO浓度为10 mM样品中，其他NO浓度下几乎未检测到。 Escherichia 中含有的与NO到N ₂ O转化直接相关的基因是 nor VWR 。在之前的报道中， norVWR 主要存在于人体肠道微生物的 Escherichia 中，用于人体发生炎症时，通过反硝化将NO还原为毒性更弱的N ₂ O。 Escherichia 含有的功能基因 norVWR 首次被探究在环境中发挥积累N ₂ O的功能。

综上所述，本研究明确了中高温条件下产N ₂ O适宜的初始NO浓度，实现了最高92%的N ₂ O转化率。识别了不同NO浓度下的关键功能基因和缺陷型微生物。为更符合烟气处理场景下的污染物去除和资源化利用提供了新的理论和技术支持。

相关论文发表在 ACS ES&T Engineering 上，清华大学环境学院博士研究生李丹为文章的第一作者，席劲瑛教授为通讯作者，本论文也得到美国西北大学环境学院George Wells教授的大力支持。