生物反硝化由于其经济可行性和无二次污染的优势,被广泛应用于硝酸盐废水的处理。然而,传统反硝化普遍存在着反应速率低,水力停留时间长的问题,因此如何提高传统反硝化反应速率是当前研究热点。有研究表明生物反硝化效率主要取决于电子传递的效率,蒽醌-2-磺酸钠(AQS),作为一种典型的氧化还原介质,能够加速氧化还原反应中电子供体与电子受体间的电子传递速率,以促进反硝化反应。然而,AQS对生物反硝化的促进机理,尤其是电子传递方面的研究仍不明确。产酸克雷伯氏菌(Klebsiella oxytoca)作为一种反硝化菌,具备厌氧和好氧反硝化的能力,同时能够以氧化态的氧化还原介体(AQS、AQDS等醌类化合物)为电子受体进行呼吸。因此,本文主要研究外源氧化还原介质强化脱氮过程中的胞内/胞外细胞外电子转移(IET/EET)的机理,同时,鉴于Klebsiella oxytoca特殊的生物产氢特征,阐述生物制氢过程中氮元素的转化和去除机理。具体研究内容和主要结果如下:Klebsiella oxytoca作为一株典型的产氢菌,在厌氧条件下以Na NO_3为氮源时,生物产氢被抑制,电子平衡等效分析说明在Klebsiella oxytoca厌氧发酵过程中,乙酰辅酶A(Acetyl-Co A)阶段前的发酵过程受到抑制,反硝化和生物制氢过程存在电子竞争。利用四种特异性呼吸链抑制剂,构建了Klebsiella oxytoca厌氧反硝化的电子通路,辅酶Q、复合物I、II和III为IET反硝化链的核心组成成分。氧化还原介质蒽醌-2-磺酸盐(AQS)的加入可缓解抑制剂对呼吸链电子传递速率的抑制,恢复部分的IET,使NO_3~–N可有效地向N_2转化。与加入呼吸链抑制的实验组相比,同时加入抑制剂和AQS的实验组氮气生成量提高了9.68%-18.25%。实时荧光定量(RT-q PCR)未检测到nrf A基因,表明Klebsiella oxytoca不能进行硝酸铵的异化还原(DNRA),硝酸盐同化是NH_4~+-N形成的主要途径。从基因、酶活性、电子流分布的角度研究了Klebsiella oxytoca厌氧和好氧反硝化的性能及电子转移机制。RT-q PCR结果表明,膜结合硝酸盐还原酶基因(nar G)和亚铜还原酶基因(nir K)对好氧和厌氧反硝化均有催化作用。极低的nir K相对丰度可能是厌氧条件下NO_2~–N严重积累的原因,同时,厌氧条件下亚硝酸盐还原酶(Nir)活性为0.31μg NO_2~–N min~(-1) mg~(-1)protein,低于好氧条件下(0.38μg NO_2~–N min~(-1) mg~(-1)protein)也验证了这一点。利用呼吸链抑制剂构建了Klebsiella oxytoca好氧反硝化的电子转移途IDN-6556作用径。不同于厌氧反硝化,辅酶Q(Co Q)、复合物I和III在好氧反硝化中起关键作用。研究表明,氮同化是好氧条件下的主要脱氮方式,然而厌氧反硝化的主要脱氮途径是反硝化和同化作用。在好氧条件下,AQS能够促进Klebsiella oxytoca的反硝化进程,加入不同浓度的AQS,NO_3~–N的还原速率可提高17.35%-130.16%,同时,气态氮的比例从28.75%上升到39.66%。此外AQS对细菌同化过程也有促进作用,但过量的AQS可能抑制了谷氨酰氨合成酶合成生物氮的过程。电子流分布结果说明AQS不仅可以在一定程度上加速好氧反硝化的胞外电子传递(EET),还可以提高了电子对含氮物质的选择性,减少了电子损失。综上所述,无论是厌氧还是好氧条件下,氧化还原介Protein Detection质都能有效介导Klebsiella oxytoca进行脱氮,促进NO_3~–N还原成N_2。研究结果对未来的实践具有重要的意义,具体表现在为产酸克雷伯氏菌(Klebsiella oxytoca)反硝化的电子传递途径提供了新的见解;指出该菌株在含氮废水中的可能应用方向;表明外源氧化还原介质(AQS)Adavosertib采购在含氮废水生物处理中的实际应用潜力。