硝化-反硝化細(xì)菌在循環(huán)水高密度養(yǎng)殖中脫氮應(yīng)用進(jìn)展

李波，姜艷霞，王紅兵，管桂萍

（1．湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)生命科學(xué)技術(shù)學(xué)院，農(nóng)業(yè)生物工程研究所，湖南 長沙 410128；2．湖南省畜牧獸醫(yī)研究所，湖南 長沙 410131）

循環(huán)水高密度養(yǎng)殖模式，集合了水處理技術(shù)、高密度水產(chǎn)養(yǎng)殖、集約化管理等先進(jìn)理念于一體，是一種環(huán)境友好可持續(xù)化發(fā)展的養(yǎng)殖模式[1]。該模式實(shí)現(xiàn)高密度養(yǎng)殖和養(yǎng)殖水體的可循環(huán)利用以及糞便殘?jiān)目苫厥绽?，僅需少量的土地和水體資源，即可產(chǎn)出同樣的產(chǎn)量，高效安全，降低了勞動(dòng)成本，提高了養(yǎng)殖效率，減少了環(huán)境污染風(fēng)險(xiǎn)[2]。

隨著養(yǎng)殖密度的增加，水體中大量糞便以及剩餌的沉積，引起氨氮、亞硝態(tài)氮等有害物質(zhì)的積累[3]，導(dǎo)致養(yǎng)殖水體惡化，嚴(yán)重影響了養(yǎng)殖產(chǎn)品的產(chǎn)量以及質(zhì)量[4]。因此除去含氮化合物，成為改善水質(zhì)并提高產(chǎn)量的關(guān)鍵。相比于物理、化學(xué)脫氮，生物脫氮具有成本低、無毒害且高效等特點(diǎn)[5]。大多數(shù)水產(chǎn)養(yǎng)殖工廠設(shè)立生化處理池，通過池內(nèi)一些自養(yǎng)、異養(yǎng)細(xì)菌進(jìn)行硝化-反硝化作用，以達(dá)到改善養(yǎng)殖水質(zhì)的目的。現(xiàn)簡述硝化-反硝化細(xì)菌在循環(huán)水高密度養(yǎng)殖中脫氮應(yīng)用進(jìn)展，以期為硝化-反硝化細(xì)菌在實(shí)際工程的應(yīng)用提供參考。

1 硝化-反硝化細(xì)菌的脫氮機(jī)理

硝化-反硝化細(xì)菌種類繁多，脫氮機(jī)理也復(fù)雜多樣[6]。根據(jù)其營養(yǎng)方式，可將不同硝化細(xì)菌分為自養(yǎng)硝化[7]和異養(yǎng)硝化[8]2 類，其中自養(yǎng)硝化細(xì)菌在生物脫氮中是主要菌群，而異養(yǎng)硝化細(xì)菌僅占很少一部分[9]。硝化作用可以分為2 個(gè)階段，首先由氨氧化細(xì)菌將銨態(tài)氮（NH4+-N）氧化為亞硝酸鹽氮（NO2--N），隨后硝化細(xì)菌將NO2--N 氧化為硝酸鹽氮（NO3--N）。而反硝化細(xì)菌可分為厭氧型以及好氧型，厭氧型反硝化細(xì)菌，需要在嚴(yán)格缺氧的條件下，將硝化作用的產(chǎn)物轉(zhuǎn)化為氮?dú)馀湃氪髿庵?；而好氧型反硝化?xì)菌，可直接與硝化細(xì)菌在同一反應(yīng)器中進(jìn)行硝化作用，完成生物脫氮作用[10]。特殊的是多數(shù)異養(yǎng)硝化細(xì)菌還能同時(shí)進(jìn)行好氧反硝化作用，將硝化產(chǎn)物轉(zhuǎn)化為含氮?dú)怏w排入大氣中，目前，這類菌已成為生物脫氮工藝的重要研究對象。

1.1 自養(yǎng)硝化-厭氧反硝化

自養(yǎng)硝化-厭氧反硝化，是通過自養(yǎng)硝化細(xì)菌與厭氧反硝化細(xì)菌組合，從而實(shí)現(xiàn)2 級脫氮反應(yīng)。自養(yǎng)型硝化細(xì)菌是一類可以二氧化碳（CO2）為唯一碳源，通過硝化過程獲取能量的化能自養(yǎng)細(xì)菌，其作為脫氮細(xì)菌的優(yōu)勢菌群，在脫氮工藝中共同進(jìn)行硝化作用，如氨氧化細(xì)菌、亞硝酸氧化細(xì)菌等，并能利用環(huán)境優(yōu)勢進(jìn)行生長。Jin 等[11]進(jìn)行垂直綠化在黑水的應(yīng)用效果的研究中，發(fā)現(xiàn)自養(yǎng)硝化細(xì)菌在脫氮中占據(jù)主要地位，而且脫氮效果明顯。隨著對硝化細(xì)菌的深入研究，人們也利用自養(yǎng)硝化細(xì)菌進(jìn)行工農(nóng)業(yè)廢水的處理。Larissa 等[12]在進(jìn)行石油廢水中鹽度逐漸增加的研究時(shí)，發(fā)現(xiàn)參與銨去除過程中的細(xì)菌，絕大多數(shù)為自養(yǎng)型細(xì)菌。文獻(xiàn)[13]用自養(yǎng)硝化細(xì)菌與膜生物反應(yīng)器聯(lián)合處理污水，結(jié)果顯示，總氮、總磷以及化學(xué)需氧量（COD）有顯著的下降，說明自養(yǎng)型細(xì)菌在處理污水方面是高效的。

1.2 異養(yǎng)硝化-好氧反硝化

文獻(xiàn)[14]發(fā)現(xiàn)存在異養(yǎng)硝化菌與好氧反硝化菌的偶聯(lián)過程，此類菌被稱為異養(yǎng)硝化-好氧反硝化菌。由于其特殊性，近年來已從濕地、淤泥、海水等地，獲得各種不同的異養(yǎng)硝化-好氧反硝化細(xì)菌，常見的包括不動(dòng)桿菌（Acinetobacter）[15]、假單胞菌（Pseudomonas）[16]、克雷伯氏菌（Klebsiella pneumoniae）[17]、紅球菌（Rhodococcus）[18]。相比于傳統(tǒng)的生物脫氮工藝，其具有同步硝化-反硝化反應(yīng)的能力[19]，可同時(shí)實(shí)現(xiàn)廢水中有機(jī)物和氮的除去，無須另建厭氧反應(yīng)器，運(yùn)行和維護(hù)費(fèi)用較低。此外，好氧反硝化菌生長快、活性高，擁有高效的脫氮效率。Zhang等[20]研究了假單胞菌Y-5 在高氮環(huán)境中同步硝化、反硝化作用，結(jié)果表明，以NH4+-N 為唯一氮源時(shí)，Y-5 在24 h 內(nèi)能去除103 mg/L 的NH4+-N，且無亞硝態(tài)氮、硝態(tài)氮積累，相比于自養(yǎng)型硝化細(xì)菌，其脫氮效率更快且更高。

2 硝化-反硝化細(xì)菌在處理含氮水體中的脫氮應(yīng)用

在工農(nóng)業(yè)中，化肥、合成洗滌劑的廣泛使用與不合理的排放，導(dǎo)致水體中的氮、磷含量升高，富營養(yǎng)化日益嚴(yán)重。通過生物脫氮來處理水體中的氮、磷越來越普及，如在制藥工廠中處理制藥廢水。張巖[21]在處理制藥廢水中，投入有機(jī)物降解菌和硝化細(xì)菌，結(jié)果顯示，出水的COD 和氨氮去除效果較好,系統(tǒng)內(nèi)的用氧吸收速率（OUR）和硝化細(xì)菌活性也得到了提高。另外，大量生活污水的排放嚴(yán)重影響生態(tài)環(huán)境，而生物脫氮作為一類低成本、高效的脫氮工藝，廣泛應(yīng)用于生活污水處理。Chen 等[22]提出了一種利用厭氧罐和創(chuàng)新的雙溶解氧控制技術(shù)的新型氧化溝系統(tǒng)，用于生活污水的生物除氮、除磷，其利用硝化、反硝化細(xì)菌的需氧特性，穩(wěn)定控制雙溶解氧，有效提高了總氮、總磷的除去率。除此之外，文獻(xiàn)[23]將硝化-反硝化細(xì)菌附著在由移動(dòng)床和流化床組合的載體生物膜反應(yīng)器上，處理生活污水，結(jié)果表明，組合載體生物膜反應(yīng)器比單個(gè)生物膜反應(yīng)器除氮效果更高。

3 硝化-反硝化細(xì)菌在循環(huán)水高密度養(yǎng)殖中的脫氮應(yīng)用

在高密度循環(huán)水養(yǎng)殖中，對水質(zhì)的要求極為嚴(yán)格，因此改善水質(zhì)是養(yǎng)殖成功的關(guān)鍵。當(dāng)今工廠化高密度養(yǎng)殖已經(jīng)成為趨勢，其中常用水處理技術(shù)包括空氣吹脫、離子交換吸附、臭氧氧化處理、電滲析處理以及生物脫氮，而硝化-反硝化細(xì)菌作為一類生物脫氮菌被廣泛應(yīng)用在工廠處理養(yǎng)殖水中，不僅成本低、脫氮效率高，而且無毒害殘留，能大大提高養(yǎng)殖綜合效益。

3.1 自養(yǎng)硝化-厭氧反硝化細(xì)菌在循環(huán)水高密度養(yǎng)殖中的應(yīng)用

自養(yǎng)硝化-厭氧反硝化細(xì)菌，通常應(yīng)用于A/O工藝中用于生產(chǎn)尾水處理，在循環(huán)水高密度水產(chǎn)養(yǎng)殖中被用于生物濾池或掛膜處理中，以此改善養(yǎng)殖水質(zhì)。劉佳[24]研究聚氨酯自養(yǎng)硝化生物膜在對蝦養(yǎng)殖水體凈化效果中發(fā)現(xiàn)，完成自養(yǎng)硝化生物膜掛膜后，試驗(yàn)組NH4+-N 和NO2--N 濃度始終處于低水平波動(dòng)狀態(tài)，且均在對蝦養(yǎng)殖安全范圍內(nèi)，而對照組NH4+-N 和NO2--N 濃度均呈上升趨勢，其值并始終高于試驗(yàn)組，表明自養(yǎng)硝化生物膜具有良好的改善水質(zhì)的能力。羅國芝等[25]介紹了幾種常用的固定膜式生物過濾器，為循環(huán)水養(yǎng)殖系統(tǒng)中核心的水處理單元，是通過固定膜式生物過濾器為自養(yǎng)硝化細(xì)菌提供附著基面。除此之外，由于自養(yǎng)硝化細(xì)菌具有不需外加碳源、能夠定殖、不需定時(shí)投放菌液等優(yōu)點(diǎn)，受到大多養(yǎng)殖戶青睞。

3.2 異養(yǎng)硝化-好氧反硝化細(xì)菌在循環(huán)水高密度養(yǎng)殖中的應(yīng)用

異養(yǎng)硝化細(xì)菌生長速度快，環(huán)境適應(yīng)能力強(qiáng)，在生物脫氮法處理污水時(shí)更有優(yōu)勢[26]，發(fā)展前景良好，但需要大量的研究，去解決硝化細(xì)菌在實(shí)際應(yīng)用中存在的問題。如將游離菌投放到養(yǎng)殖池后，由于環(huán)境條件發(fā)生改變，菌的生存、生長及其穩(wěn)定性常常難以控制，從而導(dǎo)致對水體的凈化效果不穩(wěn)定；一些應(yīng)用前景良好的好氧硝化菌，在相對厭氧的底質(zhì)中較難定植等。而王淼等[27]研究了嗜吡啶紅球菌、糞產(chǎn)堿桿菌以及巨大芽孢桿菌三株異養(yǎng)硝化細(xì)菌，對尼羅羅非魚養(yǎng)殖池塘水體的凈化效果，結(jié)果表明，加菌組的總氮等指標(biāo)的積累量始終低于對照組，其中巨大芽孢桿菌凈化效果最為理想，嗜吡啶紅球菌、糞產(chǎn)堿桿菌相比于對照組也有明顯的凈化效果，表明在養(yǎng)殖池塘中添加異養(yǎng)硝化細(xì)菌，可有效維護(hù)養(yǎng)殖水質(zhì)。另外，在生物濾池中水力停留時(shí)間也是水體脫氮的關(guān)鍵因素，劉暢文等[28]設(shè)計(jì)一種生物絮凝反應(yīng)器，作為中式規(guī)模循環(huán)水養(yǎng)殖系統(tǒng)的水處理裝置，并研究在不同水力停留時(shí)間的運(yùn)行效果，試驗(yàn)證明，當(dāng)水力停留時(shí)間（HRT）為12 h 時(shí)，反應(yīng)器內(nèi)污染物去除率最高，除氮效果明顯，并且反應(yīng)器在不同HRT 條件下均以異養(yǎng)細(xì)菌為主，主要通過同化作用去除氮，好氧反硝化細(xì)菌和厭氧反硝化細(xì)菌同時(shí)是反應(yīng)器的優(yōu)勢菌屬。康傳磊[29]開展不換水連續(xù)養(yǎng)殖圓斑星鰈試驗(yàn)，分別加入花津?yàn)┭挎邨U菌SLWX2、嗜堿鹽單胞菌X3 和麥?zhǔn)辖惶鎲伟鶶LNX2 的不同組合，結(jié)果顯示，當(dāng)SLWX2+X3+SLNX2 組合聯(lián)合使用時(shí)水體凈化效果最佳，而不加菌的出現(xiàn)大量死魚現(xiàn)象，說明異養(yǎng)硝化-好氧反硝化菌能有效維護(hù)水質(zhì)。吳偉等[30]將脫氮副球菌投入淡水養(yǎng)殖池塘，經(jīng)過38 d 的試驗(yàn)，池塘中的無機(jī)氮有明顯的減少，其對養(yǎng)殖水體中的無機(jī)氮素以及有機(jī)污染物有較好的控制效果。

羅國芝等[31]從活性污泥中分離出一種具有異養(yǎng)硝化-好氧反硝化作用的菌株——醋酸鈣不動(dòng)桿菌，并研究其對水產(chǎn)養(yǎng)殖用水的處理效果，將篩選所得醋酸不動(dòng)桿菌接種至具有較高濃度硝態(tài)氮的養(yǎng)殖水體中，結(jié)果表明，水體中的氨氮、硝態(tài)氮、總氮除去率分別為（43.31±0.78）%，（91.70±3.61）%和（83.56±6.15）%，具有良好水產(chǎn)養(yǎng)殖用水凈化效果。異養(yǎng)硝化-好氧反硝化菌因?yàn)楦咝?、生長快速以及能同步硝化、反硝化[32]，在循環(huán)水養(yǎng)殖中的應(yīng)用受到了越來越多的關(guān)注。

4 結(jié)語

當(dāng)前，我國水產(chǎn)養(yǎng)殖行業(yè)正處于高速發(fā)展階段，含氮化合物排放量日益增加、水質(zhì)日益復(fù)雜的背景下，生物脫氮處理新技術(shù)的研發(fā)，始終是科研人員的關(guān)注熱點(diǎn)。異養(yǎng)硝化-好氧反硝化細(xì)菌在近年被通過間歇曝氣法、使用選擇培養(yǎng)基以及使用酸堿指示劑等方法大量發(fā)掘，現(xiàn)如今已被大量篩選出來后形成豐富菌種庫，并且被應(yīng)用于水產(chǎn)養(yǎng)殖、生物廢水處理以及降解有機(jī)污染物等方面。在循環(huán)水高密度養(yǎng)殖中，異養(yǎng)硝化-好氧反硝化菌能將自養(yǎng)硝化-厭氧反硝化過程優(yōu)勢結(jié)合在一起，解決了硝化與反硝化反應(yīng)器分別獨(dú)立設(shè)置的問題，減少了反應(yīng)器的規(guī)模和能源成本，其相比于自養(yǎng)細(xì)菌更能解決水體中與有機(jī)物不能兼容的問題。另外，大量的試驗(yàn)證明，異養(yǎng)硝化-好氧反硝化菌在處理高密度養(yǎng)殖水體中具有高效的凈化水質(zhì)能力，是一種在循環(huán)水高密度養(yǎng)殖中具有巨大潛力的生物修復(fù)細(xì)菌。