好氧反硝化細菌脫氮研究進展

司圓圓,陳興漢,許瑞雯,李艷豐

(陽江職業(yè)技術(shù)學(xué)院，廣東 陽江 529500)

在水產(chǎn)養(yǎng)殖中，水環(huán)境中的氮素含量過高會造成水體的富營養(yǎng)化。其中氨氮及亞硝酸鹽等毒性較高會對水生生態(tài)系統(tǒng)造成嚴(yán)重影響[1-2]，特別是亞硝酸鹽轉(zhuǎn)化速率低、毒性大，由此造成的水產(chǎn)動物損傷甚至死亡[3]。生物脫氮通過氨化、硝化、反硝化作用實現(xiàn)，將氮素通過一系列反應(yīng)轉(zhuǎn)化為氮氣的過程。主要包括硝化作用和反硝化作用。目前生物脫氮研究有了較大的進展，研究的熱點主要集中在厭氧氨氧化、短程式硝化反硝化、一步式硝化及好氧反硝化。目前，單純的硝化作用不能從根本上解決養(yǎng)殖水體中氨氮及亞硝酸鹽超標(biāo)的問題，而反硝化是去除水體中硝酸鹽及亞硝酸鹽的重要途徑。傳統(tǒng)上認為反硝化作用只有在厭氧或缺氧條件下發(fā)生，這與水產(chǎn)養(yǎng)殖中富氧的環(huán)境相悖。隨著對生物脫氮研究的深入，在水處理過程中也發(fā)現(xiàn)有好氧反硝化現(xiàn)象[4]。好氧反硝化菌是一類可利用好氧反硝化酶，在有氧條件下進行反硝化作用的細菌。本文就好氧反硝化細菌的特點、應(yīng)用及國內(nèi)外研究研究進展綜述如下。

1 好氧反硝化概述

1.1 好氧反硝化細菌

好氧反硝化菌是一類可利用好氧反硝化酶，在有氧條件下進行反硝化作用的細菌。因這類細菌具有同時硝化和反硝化的能力而被學(xué)者廣泛關(guān)注。這類細菌主要包括Pseudomonas sp.、Alcaligenes sp.和 Paracoccus sp.等，這類細菌一般為革蘭氏陰性，在5～37℃均可生長，最適溫度為25～35℃。好氧或者厭氧，常見于土壤、湖泊或者海洋中，菌落直徑2～3mm，圓形、邊緣完整、平滑、白色不透明。目前好氧反硝化細菌菌種多從天然土壤中、海洋環(huán)境或不同工藝的水處理系統(tǒng)篩選，部分菌株經(jīng)過馴化，對溫度、鹽度、重金屬等具有一定的適應(yīng)能力。隨著研究的發(fā)展，好氧反硝化細菌以其新的脫氮特點在廢水處理中的應(yīng)用價值引起了人們的廣泛關(guān)注。目前研究多集中在對好氧反硝化過程酶系以及脫氮的分子機理方面，用于調(diào)控水產(chǎn)養(yǎng)殖水質(zhì)的研究還不深入。

1.2 好氧反硝化酶系統(tǒng)

目前普遍認為好氧反硝化酶系統(tǒng)主要包括硝酸鹽還原酶(Nar)、亞硝酸鹽還原酶(Nir)、一氧化氮還原酶(nor)和一氧化二氮還原酶(nos)。四種酶在氮素轉(zhuǎn)化過程中起主要作用，Nar催化硝態(tài)氮到亞硝態(tài)氮，Nir催化亞硝態(tài)氮到一氧化氮，nor催化一氧化氮到一氧化二氮，最后在nos的作用下生成氮氣。周質(zhì)硝酸鹽還原酶在好氧反硝化中能夠優(yōu)先表達，受氧分子的抑制性較?。粊喯跛猁}還原酶位于細胞壁與細胞膜之間，在有氧和無氧條件下都能表達；一氧化氮還原酶對 NO 具有很高的親和力，可使 NO 濃度維持在極低的水平；一氧化二氮還原酶位于膜外周質(zhì)中，在低氧或缺氧條件下均能表達，作用產(chǎn)物為 N2。

2 國內(nèi)外研究進展

2.1 國外研究進展

國外對好氧反硝化細菌目前的研究熱點集中在好氧反硝化作用酶系統(tǒng)及反應(yīng)機理。1988年，Robertson等首次在除硫和反硝化處理系統(tǒng)中分離出好氧反硝化菌證實為脫氮副球菌(Paracoccus denitrificans)，并報道了好氧反硝化酶系的存在[5]；2001年，Su JJ等發(fā)現(xiàn)了一些能在O2濃度(氧分壓)很高情況下仍可生存的反硝化菌。至此越來越多的好氧反硝化菌被證實存在，好氧反硝化過程的分子機制也被學(xué)界關(guān)注并研究[6]；2005年Joo HS在初始含有360 mg/L氨氮的基本培養(yǎng)基中，當(dāng)C/N為10和20時，氨氮能被完全消耗[7]；2010年，L Zhu等在貧營養(yǎng)生態(tài)系統(tǒng)中分離出一株好氧反硝化細菌Pseudomonas，在溶解氧3～10mg/L時仍可進行反硝化，證實貧營養(yǎng)生態(tài)系統(tǒng)中存在好氧反硝化細菌可以以硝態(tài)氮為電子受體進行好氧反硝化反應(yīng)[8]；2014年，B Ji等研究了好氧反硝化細菌 Pseudomonas stutzeri在氧氣濃度高達17.5 mg/L時，對硝態(tài)氮的脫除效率為93.7%，好氧反硝化酶的基因napA and nirS均被擴增，narG, norB and nosZ也有表達[9]；2016年，Srivastava M 1 等對異養(yǎng)硝化細菌的分子生態(tài)學(xué)進行研究，從稻田土壤中分離出的PDN3、PDN19、PDN14對氨態(tài)氮的脫除效率較高，與Bacillus cereus有較高(>98%)的近源性[10]。

2.2 國內(nèi)研究進展

國內(nèi)對好氧反硝化細菌的研究起步較晚。主要集中在好氧反硝化細菌的篩選、工藝等方面。

2000年，李峰等采用序批式反應(yīng)器處理氨氮廢水，試驗結(jié)果驗證了好氧反硝化的存在[11]；丁愛中等通過實驗論證好氧生物反硝化反應(yīng)存在的依據(jù)[12]；2004年，周丹丹等采用污泥馴化手段富集好氧反硝化細菌，將得到的馴化污泥分離純化，共得到 105株菌。用測TN的方法對所篩菌株進行初篩，得到 25株對TN去除率達到 5 0 %以上的菌株；2007年，王薇等綜述了好氧反硝化菌的種類和特性、好氧反硝化菌的反硝化作用機制和影響因素[13]。

2014年，王兆陽等[14]篩選到1株高效好氧反硝化菌,通過形態(tài)觀察、生理生化特征及16S rDNA序列分析,對菌株進行了鑒定，同時對其好氧反硝化特性和異養(yǎng)硝化功能進行了研究.好氧反硝化菌株為假單胞菌屬(Pseudomonas sp.),碳源、C/N、pH及溫度對菌株反硝化活性影響較大，可實現(xiàn)同步硝化反硝化，這對南方地區(qū)冬季廢水處理具有潛在應(yīng)用價值；2016年，李小義等采集了近海表層沉積物進行富集培養(yǎng)，分離獲得一株具有高效好氧反硝化能力的菌株F13-1，并對之進行反硝化基因的初步分析；袁會蘭等對好氧反硝化途徑關(guān)鍵酶進行基因克隆，首次獲得了好氧反硝化途徑的napA、norB和nosZ基因全長序列并完成了上述3個基因及基因產(chǎn)物的結(jié)構(gòu)和組成特點分析[15]。

3 結(jié)論與展望

3.1 結(jié)論

最近十年來，對于好氧反硝化細菌的研究，主要集中在三個方面：一是好氧反硝化菌株的篩選，主要以Pseudomonas sp.、Alcaligenes sp.和 Paracoccus sp.為主。二是研究好氧反硝化菌株表現(xiàn)出耐冷、耐鹽及可降解毒性有機物及 N2O 減排的潛力。三是研究好氧反硝化過程的降解機理。目前用于好氧反硝化細菌調(diào)控水產(chǎn)養(yǎng)殖水質(zhì)有一定的前景，但研究還不深入。

3.2 展望

好氧反硝化細菌能夠在有氧條件下脫除受污染水體中的氮素，且具有同步硝化反硝化的能力，解決養(yǎng)殖環(huán)境好氧與反硝化脫氮的矛盾，可克服反硝化過程厭氧與水產(chǎn)養(yǎng)殖好氧之間的矛盾，具有重要的應(yīng)用前景。以后的研究方向?qū)?cè)重于高鹽分、低溫等極端環(huán)境下好氧反硝化細菌對氮素脫除的研究。

[1] Ahn Y H.Sustainable nitrogen elimination biotechnologies:A review[J].Process Biochem,2006(41):1709-1721.

[2] 鄭 平.生物脫氮技術(shù)的研究進展[J].環(huán)境污染與防治，1997，19(4):25-26.

[3] 吳長征.集約化養(yǎng)殖對環(huán)境的危害與預(yù)防措施[J].環(huán)境科學(xué)與技術(shù),1999(2):32-34.

[4] Chen Q,Ni J R.Ammonium removal by Agrobacterium sp LAD9 capable of heterotrophic nitrification-aerobic denitrification[J].Biosci Bioeng,2012,113(5):619-623.

[5] Robertson L A，Kuenen J G.Aerobic denitrification：A controversy revived[J].Archives of Microbiology,1984,139(4):351-354.

[6] Su J J,Liu B Y,Liu C Y.Comparison of aerobic denitrification under High oxygen atmosphere by Thiosphaera pantotropha ATCC 35512 and Pseudom onasstutzeri SU2 newly isolated from the active sludge of a piggery wastewater treatment system[J].Journal of Applied Microbiology,2001,90:457-462.

[7] Joo H S,Hirai M,Shoda M.Characteristics of ammonium removal by heterotrophic nitrification-aerobic denitrification by Alcaligenes faecalis No.4[J].Journal of Bioscience and Bioengineering，2005,100(2):184-191.

[8] Zhu L，Ding W，F(xiàn)eng L J，et al. Isolation of aerobic denitrifiers and characterization for their potential application in the bioremediation of oligotrophic ecosystem[J].Bioresource Technology，2012,108(4):1-7.

[9] Ji B， Wang H， Yang K. Tolerance of an aerobic denitrifier (Pseudomonas stutzeri) to high O2concentrations[J].Biotechnology Letters,2014, 36(4):719.

[10] Su Junfeng, Shao Sicheng, Huang Tinglin. Isolation, identification, and algicidal activity of aerobic denitrifying bacterium R11 and its effect on Microcystis aeruginosa[J].water science and technology,2016,73(11):2600-2607.

[11] 李 峰.氨氮廢水處理過程中好氧反硝化研究[J].給水排水,2000,26(4)：17-20.

[12] 丁愛中.好氧生物反硝化反應(yīng)的實驗證據(jù)[J].科學(xué)通報，2000,45:2779-2781.

[13] 王 薇.好氧反硝化菌的研究進展[J].應(yīng)用生態(tài)學(xué)報，2007:18(11):2618-2625.

[14] 王兆陽.1株耐冷兼性嗜堿好氧反硝化菌的分離鑒定及反硝化特性[J].環(huán)境科學(xué),2014,35(6):2341-2348.

[15] 李小義,王麗萍,賴其良，等.一株卓貝爾氏菌F13-1好氧反硝化特性及其反硝化基因的初步研究[J].應(yīng)用海洋學(xué)報，2016(1):122-129.