(a) Иллюстрация метаболизма глюкозы. FADH2: флавинадениндинуклеотид (восстановленная форма), FAD: флавинадениндинуклеотид, АТФ: аденозинтрифосфат, АДФ: аденозиндифосфат; (b, c) Анализ обогащения пути KEGG в клеточных культурах на стадиях (b) Ⅲ и (c) Ⅳ; (d, e) тепловая карта, сравнивающая распространенность генов, связанных с метаболизмом углерода в клеточных культурах; (d, e) гены, вовлеченные в (d) путь ЭМП и (e) цикл трикарбоновых кислот. Черные блоки представляют собой ген, который не был обнаружен в определенной группе лечения. Кредит: Хонг-Тао Ши и др.
Исследование, проведенное учеными из Харбинского технологического института, выявило существенное развитие технологии очистки сточных вод. Опубликовано в разделе Инженерное дело, исследование представляет инновационный подход к улучшению денитрификации в искусственных водно-болотных угодьях (CWs) путем использования нового субстрата на основе биоугля, известного как β-циклодекстрин-функционализированный биоуголь (BC@β-CD). Этот прорыв решает важную задачу в очистке сточных вод: оптимизацию удаления азота в условиях, когда традиционные методы неэффективны из-за низкого соотношения углерода к азоту (C/N).
Искусственные водно-болотные угодья известны своим потенциалом для очистки стоков с очистных сооружений сточных вод (WWTP), однако их эффективность часто снижается из-за низкого соотношения C/N в притоке, что приводит к неоптимальной денитрификации и недостаточному удалению азота. Исследование, проведенное Сяо-Чи Фэном и Нан-Ци Реном, дает новые идеи о преодолении этих ограничений с помощью передовой материаловедения и биохимической инженерии.
Исследовательская группа сравнила три различные системы CW: традиционную (контрольную), биоуголь (BC) и β-циклодекстрин (BC@β-CD). Целью исследования была оценка их эффективности при очистке сточных вод с низким соотношением C/N, в частности, соотношение снизилось с 4 до 2.
Результаты показывают, что система BC@β-CD превзошла другие конфигурации, продемонстрировав на 45,89% и 42,48% более высокую скорость удаления азота по сравнению с традиционной системой. Кроме того, выбросы закиси азота (N2O), мощного парникового газа, были сокращены на 70,57% и 85,45% соответственно.
Исследователи использовали ряд аналитических методов, включая метагеномику и ферментативные анализы, чтобы понять, как BC@β-CD усиливает денитрификацию. Эти анализы показали, что BC@β-CD способствует метаболизму углерода и увеличивает активность ферментов денитрификации, не изменяя микробное разнообразие в CW.
Примечательно, что было обнаружено, что BC@β-CD усиливает генерацию и транспорт электронов, что имеет решающее значение для эффективной денитрификации, за счет повышения активности никотинамидадениндинуклеотида (НАДН) дегидрогеназы и системы переноса электронов (СПЭ).
Дальнейшее исследование с использованием моделирования структурных уравнений подтвердило, что основное преимущество BC@β-CD заключается в его способности перераспределять больше потока метаболизма углерода в сторону денитрификации. Это стратегическое перераспределение поддерживает процессы денитрификации даже при ограниченных источниках углерода, тем самым улучшая удаление азота в условиях низкого соотношения C/N.
Результаты исследования подчеркивают преобразующий потенциал BC@β-CD в очистке сточных вод. Оптимизируя распределение метаболизма углерода, этот субстрат на основе биоугля не только повышает эффективность удаления азота, но и снижает выбросы парниковых газов. Это достижение предлагает практическое решение распространенной проблемы в очистке сточных вод, обеспечивая более устойчивый подход к управлению низкоуглеродным притоком.
Исследователи подчеркивают, что успешное применение BC@β-CD в CWs представляет собой значительный шаг вперед в области экологической инженерии. Это открывает многообещающий путь для разработки более эффективных и экологически чистых технологий очистки сточных вод.
Будущие исследования будут сосредоточены на масштабировании этой технологии и изучении ее применения в различных сценариях очистки сточных вод. Поскольку мир стремится к более устойчивым экологическим решениям, это исследование предлагает обнадеживающий путь вперед для более чистого и эффективного управления сточными водами.
Авторами статьи являются Хун-Тао Ши, Сяо-Чи Фэн, Цзы-Цзе Сяо, Чэнь-И Цзян, Вэнь-Цянь Ван, Цинь-Яо Цзэн, Бо-Вэнь Ян, Ци-Ши Си, Цин-Лянь У, Нань-Ци Жэнь.
Дополнительная информация: Хун-Тао Ши и др., Улучшенная денитрификация в искусственных водно-болотных угодьях с низким соотношением углерода и азота: взгляд на перераспределение метаболизма углерода на основе использования электронов, Инженерия (2024). DOI: 10.1016/j.eng.2024.07.020
Предоставлено Engineering
