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随着经济和工业化的高速发展、城市化进程的加速和人民生活水平的提高，城市水污染问题日益突出，尤其是其中的氮污染。氮是引起水体富营养化的主要因素，若处理不当，氦可转化为亚硝酸盐这一“三致”物质，严重威胁人类健康。因此，必须对污水进行脱氮，其中具有脱氮功能的硝化反硝化处理工艺被公认为是一种经济、有效、最有发展前途的污水脱氮方法之一，越来越受到环境研究者的青睐。N2O是硝化过程的副产物和反硝化过程的中间产物，因而废水生物脱氮过程被认为是一个潜在的N2O人为排放源。N2O是一种痕量温室气体，其温室效应能力约为CO2的300倍；它在大气中很稳定，寿命长达150年，能与空气中的O2反应生成NO，破坏平流层的臭氧层。近年来N2O在大气中增加很快，每年约以体积分数0.25％的速度递增，并估计源排放N2O量超过汇的40％。基于N2O的负面环境效应及其在大气中的增长速度，其减排问题备受各国政府和环保工作者的高度重视。
为研究废水生物脱氮过程中N2O的产生、减量化及其产生的分子机理，本研究以模拟生活污水为基质，以SBR反应器为研究体系，系统研究了工艺因素对硝化—反硝化过程中N2O排放和脱氮效率的影响，并对以葡萄糖、蔗糖和醋酸钠为不同电子供体的各N2O排放体系在微生物种群差异和反硝化酶系基因的表达情况开展了细致研究。上述两大方面的研究，初步阐明了废水生物脱氮过程中N2O减排的机理，取得结果主要如下：
1．在硝化过程中，pH值与DO是决定硝化效率和N2O排放量的重要因素，即在pH值为9时，DO控制在1～4mg/L间的N2O排放量小且硝化效率高，尤其以DO为2 mg/L时的N2O排放量最小，最大排放浓度仅为3.59μL/L，氨氮转化率可达94.36％，此工艺既能以较低能耗维持良好的硝化性能，又能有效减少N2O的排放。当pH值介于6～8时，DO为1～2mg/L时的N2O排放量是DO为3～4mg/L时的2倍或更高。
2．在硝化过程中，无机碳源的添加可减少体系中N2O排放量，但其种类对氨氮转化率和N2O排放量无显著影响。
3．反硝化过程中，有机碳源的种类、浓度及体系pH值均对N2O的排放量有显著影响，主要表现为：对于不同有机碳源，控制COD/NO3-—N比在相近水平时，以醋酸钠为电子供体的反应体系中仅有少量N2O排放，而以葡萄糖和蔗糖为电子供体的体系中则排放大量N2O。体系中的COD/NO3-N比越大，排放的N2O越多。葡萄糖、蔗糖和醋酸钠的最佳反硝化COD/NO3-N比(以脱氮效率为目标)分别为7.59、8.11和4.6，在此条件下，总氮去除率分别为90％、77％和93.06％；硝酸盐氮还原率均在98％以上；COD去除率均高于88％；在葡萄糖和蔗糖体系中N2O的最大排放浓度分别是醋酸钠体系的14.9倍和12.3倍。与pH值为6、7和9时相比，pH值为8时，反硝化过程中N2O的排放量最小且TN去除率最高。
4．反硝化过程中，金属离子的添加明显影响废水生物脱氮体系中N2O的排放量。体系中加入适量Cu2+和Zn2+后，能减少其中N2O的排放，排放量分别为对照的50％和75％左右；而Cr3+的存在则会明显增加N2O的排放。这为在反应器水平研制能降低N2O排放量的负载金属离子的改性填料提供了工艺依据。
5．利用分子技术对反硝化体系中活性污泥中微生物的16S rDNA基因V3区片段进行了克隆、序列测定、序列比对及系统发育图谱分析。结果表明，从不同N2O排放体系的活性污泥中共获得了61个16S rDNA基因片段，与NCBI数据库中16S rDNA基因序列相比较，序列的覆盖率在95％以上，被覆盖区域的同源性高于92％，获得的片段大部分与不可培养菌群的同源性最高，且大部分与源自不可培养的菌群聚为一类，说明本研究体系中占优势生长的微生物主要为不可培养的菌群。
6．利用同源克隆法，本研究对反硝化酶系基因nosZ、napA、nirS和nirK等进行了克隆与序列分析。其中克隆获得的nosZ基因片段长861bp，编码279个氨基酸，含有1个ORF和1个保守结构域，与NCBI数据库中公布的nosZ基因在核苷酸和氨基酸序列方面的同源性分别为87％和92％；获得的napA基因片段，长约400bp，与数据库中napA核苷酸序列相比，同源性在86％以上；而克隆获得的nirS基因片段和nirK基因片段，与数据库中相应基因的核苷酸序列同源性分别高于88％和91％。进一步分析表明，克隆获得的四个基因片段均与数据库中不可培养菌群的核苷酸序列同源性最高，一定程度上说明本研究体系中占优势生长的微生物主要为不可培养的菌群。
7．以本研究克隆获得的4个基因nosZ、napA、nirS和nirK片段为探针，对反硝化阶段添加不同有机碳源处理后的活性污泥中相应基因的表达情况进行了Northern杂交分析。结果表明，除了N2O还原酶nosZ基因可能因为取样时表达量太低未能检测到Northern杂交信号外，在加葡萄糖、蔗糖和醋酸钠与未加有机碳源处理的活性污泥样品中都可检测到硝酸盐还原酶基因napA和亚硝酸盐还原酶基因nirS与nirK的表达，但在不同处理的活性污泥中基因的表达量不同。在外加葡萄糖的反硝化体系中napA的表达量最高，而在醋酸钠处理的体系中nirS和nirK的表达量最高。从杂交结果结合处理工艺分析结果，推断 nirS基因在废水生物脱氮过程中表达活性的增强是引起体系中N2O减排的主要原因，而napA和nirS表达的不协调所导致的硝酸盐还原酶和亚硝酸盐还原酶之间生化反应速率的匹配失衡，是废水生物脱氮体系中添加葡萄糖后引起N2O排放量上升的重要原因之一。
通过以上研究，一方面为有效控制废水生物脱氮过程中N2O的排放、实现清洁的水处理提供了工艺依据；另一方面，通过对反硝化体系中微生物菌群和反硝化过程调控酶基因的表达分析，在分子水平上对N2O的产生机制作了初步阐述。本研究工作的开展为从根本上控制和减少N2O的排放提供了一定的理论基础。