異養(yǎng)硝化-好氧反硝化細(xì)菌的研究進(jìn)展及在水產(chǎn)養(yǎng)殖中的應(yīng)用

摘" 要：異養(yǎng)硝化-好氧反硝化細(xì)菌可以同時實現(xiàn)硝化和反硝化，具有高效的脫氮性能，是目前廢水生物脫氮處理的研究熱點之一。文章從異養(yǎng)硝化-好氧反硝化細(xì)菌的研究現(xiàn)狀、作用機(jī)制、脫氮影響因素、在水產(chǎn)養(yǎng)殖中的應(yīng)用等4個方面進(jìn)行了綜述，可為異養(yǎng)硝化-好氧反硝化細(xì)菌的研究提供理論依據(jù)，為異養(yǎng)硝化-好氧反硝化細(xì)菌在水產(chǎn)養(yǎng)殖中的應(yīng)用提供新的思路。

關(guān)鍵詞：異養(yǎng)硝化-好氧反硝化細(xì)菌；脫氮；作用機(jī)制；水產(chǎn)養(yǎng)殖；廢水處理

doi：10.16446/j.fsti.20230600129

收稿日期：2023-06-29

作者簡介：么寶蘭（1997—），女，碩士研究生，專業(yè)方向為預(yù)防獸醫(yī)學(xué)。E-mail：1320555850@qq.com

通信作者：李月紅（1968—），女，教授，研究方向為水產(chǎn)動物病害防治。E-mail：liyhong@sina.com

項目資助：吉林省中青年科技創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)卓越人才項目（20240601068RC）；吉林省科技發(fā)展計劃重點研發(fā)項目（20230202076NC）；吉林" 省現(xiàn)代農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)技術(shù)示范推廣項目（JARS-2024-1401）；國家重點研發(fā)計劃項目（2023YFD2401003）。

氮化合物的積累可導(dǎo)致水體溶解氧減少、富營養(yǎng)化和藻類繁殖，從而導(dǎo)致水質(zhì)惡化，對水產(chǎn)養(yǎng)殖動物具有致命的影響［1］。因此，去除養(yǎng)殖尾水中的氮對于維護(hù)水體環(huán)境至關(guān)重要。傳統(tǒng)的生物脫氮包括在好氧條件下的自養(yǎng)硝化過程和厭氧條件下的異養(yǎng)反硝化過程2個部分，分別由自養(yǎng)硝化菌和異養(yǎng)反硝化菌兩種菌完成，前者在有氧條件下能將氨轉(zhuǎn)化為亞硝酸鹽或硝酸鹽，后者在厭氧條件下將硝酸鹽和亞硝酸鹽還原為氮氣。因所需條件不同，這2個部分通常需要在不同的設(shè)施下進(jìn)行，導(dǎo)致成本高、耗時長、耗能等一系列問題。異養(yǎng)硝化-好氧反硝化細(xì)菌的出現(xiàn)很好地解決了這些問題［2-4］。異養(yǎng)硝化-好氧反硝化細(xì)菌能夠同時進(jìn)行硝化和反硝化，具有生長速度快、環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)、脫氮能力強(qiáng)等優(yōu)點，克服了傳統(tǒng)生物脫氮存在的很多弊端。這類新型的脫氮微生物主要存在于副球菌屬（Paracoccus）、芽孢桿菌屬（Bacillus）、假單胞菌屬（Pseudomonas）、不動桿菌屬（Acinetobacter）等［5］。有研究表明，異養(yǎng)硝化-好氧反硝化細(xì)菌可能通過同化、異化、硝化、反硝化等不同生物轉(zhuǎn)化途徑分解氮源［6］。隨著異養(yǎng)硝化-好氧反硝化細(xì)菌在不同環(huán)境中發(fā)現(xiàn)得越來越多，近年來引起了人們的廣泛關(guān)注，已成為生物脫氮領(lǐng)域的一個研究熱點。本文從異養(yǎng)硝化-好氧反硝化細(xì)菌的研究現(xiàn)狀、作用機(jī)制、脫氮影響因素、在水產(chǎn)養(yǎng)殖中的應(yīng)用等4個方面進(jìn)行了綜述，以期深入了解異養(yǎng)硝化-好氧反硝化細(xì)菌脫氮過程中的代謝途徑，為異養(yǎng)硝化-好氧反硝化細(xì)菌的研究提供理論依據(jù)，為異養(yǎng)硝化-好氧反硝化細(xì)菌在水產(chǎn)養(yǎng)殖中的應(yīng)用提供新的思路。

1" 異養(yǎng)硝化-好氧反硝化細(xì)菌的研究現(xiàn)狀

異養(yǎng)硝化-好氧反硝化細(xì)菌已經(jīng)從各種環(huán)境中分離出來，例如廢水處理系統(tǒng)、水產(chǎn)養(yǎng)殖廢水和垃圾填埋場滲濾液等。現(xiàn)階段研究發(fā)現(xiàn)，僅僅去除廢水中的氮是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的，既能除氮又能去除其他物質(zhì)的細(xì)菌更受歡迎。Rout等［7］分離鑒定了1株具有異養(yǎng)硝化、好氧反硝化和反硝化除磷功能的蠟樣芽孢桿菌GS-5，GS-5對生活廢水中的銨態(tài)氮（NH4+-N）、硝酸鹽氮（NO3--N）、亞硝酸鹽氮（NO2--N）和磷酸鹽（PO43--P）的最大去除率分別為96%、95%、84%和81%。Zhou等［8］分離鑒定出1株假單胞菌SCZ-2，該菌可以快速去除水中的氮和磷，對NH4+-N、NO3--N、NO2--N和PO43--P的去除速率分別為14.38、17.77、20.13和2.93 mg/（L·h）。目前，對于具有除磷能力的菌株以及除磷過程的研究報道較少，具體作用機(jī)制尚需進(jìn)一步深入和廣泛的研究。除了具有除磷的能力以外，有些異養(yǎng)硝化-好氧反硝化細(xì)菌還具有去除水中鈣（Ca2+）和重金屬的能力。Yang等［9］分離鑒定出1株假單胞菌sp.Y1，該菌對NH4+-N、PO43--P、Ca2+有同步去除的能力，去除率分別為92.04%、99.98%和83.40%。Zheng等［10］從養(yǎng)殖廢水中分離得到反硝化副球菌AC-3，該菌對不同的重金屬具有良好的耐受性，可同時去除99.70%的NH4+-N、99.89%的鋅（Zn

2+）、97.42%的鎘（Cd2+）和46.19%的鎳（Ni2+）。Hu等［11］分離到一株假單胞菌sp. HXF1，能夠同時去除氨氮和氟化物，去除99.2%的NH4+-N而不積累NO2--N和NO3--N，同時去除87.3%的氟（F-）。異養(yǎng)硝化-好氧反硝化細(xì)菌具有同時去除氮、磷、鈣及重金屬的能力，能更高效地處理廢水，這對其推廣應(yīng)用具有重要意義。部分具有除磷能力的異養(yǎng)硝化-好氧反硝化細(xì)菌見表1。

為了進(jìn)一步提高異養(yǎng)硝化-好氧反硝化細(xì)菌的脫氮性能，許多研究學(xué)者開始對其進(jìn)行基因改良、轉(zhuǎn)座子誘變、紫外誘變等，為提高廢水處理中異養(yǎng)硝化-好氧反硝化細(xì)菌的脫氮能力提供了新的策略。Wang等［15］利用紫外-硫酸二乙酯復(fù)合誘變獲得了1株高效異養(yǎng)硝化好氧反硝化突變株ΔRhodococcus sp. CPZ 24，其最大硝化和反硝化速率分別為3.77和1.37 mg/（L·h），分別比野生細(xì)菌高30.30%和17.10%。Deng等［16］分離得到了1株反硝化細(xì)菌，即假單胞菌（Pseudomonas stutzeri）SC221，經(jīng)鈷-60輻照和篩選后，SC221對亞硝酸鹽的去除能力由50 mg/L提高到100 mg/L。將其與蠟樣芽孢桿菌（Bacillus cereus）BSC24制成混合制劑，顯著降低了草魚養(yǎng)殖水中的銨、亞硝酸鹽、總氮的含量，而且混合制劑比單獨使用效果更好，添加微生物制劑后，水中的微生物群落結(jié)構(gòu)發(fā)生了顯著變化。這說明添加微生物制劑可以改善水質(zhì)和水中微生物群落組成。有研究表明，異養(yǎng)硝化-好氧反硝化細(xì)菌會產(chǎn)生細(xì)胞外聚合物（EPS），細(xì)菌EPS的產(chǎn)生與其聚集能力及細(xì)胞結(jié)合能力密切相關(guān)［17］。在廢水中，微生物在好氧或厭氧條件下消耗有機(jī)分子并產(chǎn)生EPS，EPS會填充微生物細(xì)胞之間的空間［18］。EPS由多種有機(jī)物組成，包括多糖、蛋白質(zhì)、核酸、脂質(zhì)和腐植酸等［19］。這些生物聚合物的數(shù)量和特性能強(qiáng)烈影響絮凝體的結(jié)構(gòu)和微生物的性質(zhì)。Padhi等［20］研究發(fā)現(xiàn)，肺炎克雷伯菌CF-S9表現(xiàn)出自聚集并能產(chǎn)生EPS。關(guān)于異養(yǎng)硝化-好氧反硝化細(xì)菌聚集能力的研究很少。該菌株的聚集和細(xì)胞結(jié)合能力表明，該菌株具有高效的生物質(zhì)富集和廢水處理的實際應(yīng)用價值。有研究表明，群體感應(yīng)（QS）會對異養(yǎng)硝化-好氧反硝化細(xì)菌的生長和反硝化產(chǎn)生影響。群體感應(yīng)即細(xì)菌自發(fā)產(chǎn)生和釋放一些特定的信號分子來調(diào)節(jié)微生物的群體行為。Wang等［21］研究發(fā)現(xiàn)，在脫氮過程中分別用3種N-?；呓z氨酸內(nèi)酯處理后，在低濃度（10、30 nmol/L）下均能加速對氨氮的去除并促進(jìn)細(xì)胞生長，促進(jìn)作用由大到小依次為：N-辛?；?L-高絲氨酸內(nèi)酯（C8-HSL）gt;N-己酰高絲氨酸內(nèi)酯 （C6-HSL）gt;N-3-氧代-己酰高絲氨酸內(nèi)酯（3-oxo-C10-HSL）。然而，當(dāng)信號分子濃度達(dá)到50 nmol/L時，對氨氮的去除作用受到抑制。與此同時，C6-HSL和C8HSL處理也促進(jìn)了JQ1004菌株EPS的釋放，而外源3-oxo-C10-HSL抑制了EPS的釋放。這說明信號分子的外用也會影響生物膜的形成和自聚集。Zhu等［22］研究了喹諾酮假單胞菌信號（PQS）和N-?；?L-高絲氨酸內(nèi)酯（AHL）對異養(yǎng)硝化-好氧反硝化的影響，AHL和PQS的缺失可通過控制異養(yǎng)硝化-好氧反硝化過程中亞硝酸鹽氧化還原酶（NXR）、硝酸鹽還原酶（NAR）、亞硝酸鹽還原酶（NIR）和一氧化氮還原酶（NOR）的活性，最大限度地提高氨氮脫除效率。由于QS信號分子對異養(yǎng)硝化-好氧反硝化細(xì)菌的氮循環(huán)途徑有抑制作用，因此，在含氮廢水處理中，可以利用信號分子猝滅劑、信號分子降解菌或酶來改善細(xì)菌的異養(yǎng)硝化-好氧反硝化過程。異養(yǎng)硝化-好氧反硝化細(xì)菌的分類和功能還在不斷完善和更新，對其潛在功能還需要進(jìn)行更深入的研究。

2" 異養(yǎng)硝化-好氧反硝化細(xì)菌的作用機(jī)制

異養(yǎng)硝化-好氧反硝化細(xì)菌種屬廣泛，其產(chǎn)酶體系有一定差別，代謝途徑也有所不同，脫氮機(jī)制復(fù)雜，因此關(guān)于異養(yǎng)硝化-好氧反硝化細(xì)菌的作用機(jī)制尚不明確。通常采用檢測脫氮過程中的中間產(chǎn)物和酶活性的測定來推測其代謝過程［23］。目前研究發(fā)現(xiàn)，異養(yǎng)硝化-好氧反硝化細(xì)菌主要有兩種反應(yīng)途徑，一種是銨（NH4+）在氨單加氧酶（AMO）的催化下氧化為羥胺（NH2OH），再經(jīng)羥胺氧化還原酶（HAO）作用氧化為亞硝酸鹽（NO2-），再經(jīng)亞硝酸鹽氧化還原酶（NXR）的催化轉(zhuǎn)化為硝酸鹽（NO3-）。硝酸鹽還原酶分為膜結(jié)合硝酸鹽還原酶（NAR）或質(zhì)周硝酸鹽還原酶（NAP），在好氧條件下催化NO3-還原為NO2-。亞硝酸鹽還原酶（NIR）將NO2-還原為一氧化氮（NO），再經(jīng)一氧化氮還原酶（NOR）催化成一氧化二氮（N2O），最后經(jīng)氧化亞氮還原酶（NOS）催化為氮氣（N2）。另一種是NH4+在AMO的催化作用下氧化為NH2OH，在HAO的作用下氧化為NO，再經(jīng)NOR催化成N2O，最后經(jīng)NOS催化為N2。兩種脫氮途徑如下：（1）NH4+→NH2OH→NO2-→NO3-→NO2-→NO→N2O→N2；（2）NH4+→NH2OH→NO→N2O→N2（見圖1）。

羥胺氧化可以在很大程度上簡化反硝化途徑，對氮的循環(huán)利用和處理具有重要意義。然而，硝化過程中產(chǎn)生的亞硝酸鹽氮（NO2--N）和硝酸鹽氮（NO3--N）仍需要其他方法來去除，以提高總

氮的去除率。除了以上這兩種途徑外，其他氮代謝途徑還有厭氧氨氧化反應(yīng)［24］。厭氧氨氧化是1種化能自養(yǎng)途徑，其中NO2-首先還原為NO，然后與NH4+結(jié)合形成肼，最后轉(zhuǎn)化為N2。有研究表明，菌株在催化羥胺生成亞硝酸鹽時會產(chǎn)生丙酮肟雙加氧酶（POD）［25］。羥胺通過與丙酮酸的非酶反應(yīng)轉(zhuǎn)化為丙酮肟，然后通過POD氧化為亞硝酸鹽和丙酮酸。異養(yǎng)硝化-好氧反硝化細(xì)菌在硝化過程中的關(guān)鍵酶和代謝途徑不盡相同，目前對其的研究尚嫌不足，亟需進(jìn)一步深入的研究。

細(xì)菌的脫氮途徑依賴于酶。其中AMO、HAO、NXR、NAR、NAP、NOR和NOS分別由amoA、hao、nxrA、nar、napA、norB和nosZ基因編碼［26］。在好氧條件下，napA往往比nar發(fā)揮更大的作用［27］。NIR酶分為兩種：細(xì)胞色素cd1亞硝酸還原酶（cd1-NIR，由nirS編碼）或含銅亞硝酸還原酶（Cu-NIR，由nirK編碼）。之前的研究認(rèn)為，這兩種酶不能在同一種細(xì)菌中共存，但Jang等［28］從Bradyrhizobium nitroreducens sp. nov菌株中同時擴(kuò)增出了這兩種基因，魏渤惠等［29］也有一致的結(jié)果，說明nirS和nirK是可以在同一菌株中存在的，只是這兩種基因如何發(fā)揮作用尚不清楚。目前，使用已報道的通用引物還難以從異養(yǎng)硝化-好氧反硝化細(xì)菌中擴(kuò)增出上述的許多基因。Cui等［30］已經(jīng)檢測到AMO和HAO的特異性酶活性，但是仍沒有檢測到amoA和hao基因。napA基因是廣泛存在于異養(yǎng)硝化-好氧反硝化細(xì)菌中的典型基因，因此被認(rèn)為是鑒定異養(yǎng)硝化-好氧反硝化細(xì)菌的關(guān)鍵基因。然而，在菌株AHP 123中未發(fā)現(xiàn)napA基因［31］。以上這些發(fā)現(xiàn)表明，僅僅通過基因來預(yù)測細(xì)菌的異養(yǎng)硝化和好氧反硝化能力是不夠的。聚合酶鏈?zhǔn)椒磻?yīng)（PCR）擴(kuò)增未獲得的基因并不代表其不具有異養(yǎng)硝化和好氧反硝化能力，可能還存在一些新類型的基因或替代的氮代謝途徑。除了擴(kuò)增相關(guān)基因外，同時檢測異養(yǎng)硝化-好氧反硝化細(xì)菌的酶活性、積累的中間產(chǎn)物和產(chǎn)生的終產(chǎn)物是全面分析異養(yǎng)硝化-好氧反硝化細(xì)菌脫氮機(jī)理的更好方法。

3" 異養(yǎng)硝化-好氧反硝化菌的脫氮影響因素

不同條件下，不同菌株的脫氮速率不同。為了使菌株在水體中發(fā)揮更好的作用，需要根據(jù)不同菌株來探索最佳的條件。

碳源為細(xì)菌提供能量和電子供體，能直接影響反硝化的速率和效果，目前常用的碳源包括琥珀酸鈉、檸檬酸鈉、葡萄糖、蔗糖、乙酸鈉等［32-35］。Ke等［36］研究了碳源對不動桿菌ZJB20129脫氮效果的影響，發(fā)現(xiàn)在以乙酸鈉和琥珀酸鈉為碳源時，菌株生物量明顯增加，脫氮量也明顯上升。這說明每種異養(yǎng)硝化-好氧反硝化細(xì)菌可能有多種不同碳源的代謝途徑，在轉(zhuǎn)化效率和能量產(chǎn)量方面也存在差異。碳氮比（C/N）是細(xì)菌脫氮過程中電子供體和電子受體比例的關(guān)鍵指標(biāo)。Ma等［37］從水庫中分離出兩株好氧反硝化放線菌LJH-12-1和LJH-12-2，LJH-12-1在C/N為13時，具有最好的脫氮效果，LJH-12-2在C/N為10時，對氨氮的去除率達(dá)到93%。但在實際應(yīng)用中工業(yè)廢水、生活污水和養(yǎng)殖廢水并沒有那么高的C/N，因此在較低的C/N下還能表現(xiàn)出高效的脫氮性能十分重要。Hu等［38］分離出1種假單胞菌Y7，能有效去除低碳氮比煉油廢水中的氮，在C/N為6的單一或混合氮源培養(yǎng)基中對NH4+-N、NO3--N和NO2--N的去除率高達(dá)90%左右。常規(guī)情況下，較高的C/N會引起其他異養(yǎng)細(xì)菌和自養(yǎng)硝化菌對氧氣和生態(tài)位的競爭，從而導(dǎo)致群落的適合度和優(yōu)勢度下降。

pH是影響異養(yǎng)硝化-好氧反硝化菌生長和硝化效率的關(guān)鍵因素之一。水體中的氨氮容易受到pH的影響，pH越高，水中非離子氨的占比就越高，而非離子氨對于魚類等水生動物具有較強(qiáng)的毒性，因此在水產(chǎn)養(yǎng)殖中，水體pH越高，氨氮的毒性越強(qiáng)。pH也會影響脫氮過程中酶的活性［39-40］。Deng等［41］從水產(chǎn)養(yǎng)殖系統(tǒng)中分離出1株假單胞菌DM02，當(dāng)pH為7時，DM02對總氮、硝酸鹽氮和亞硝酸鹽氮的去除率達(dá)到最高。

轉(zhuǎn)速可以影響水體的溶解氧濃度，而溶解氧也是異養(yǎng)硝化-好氧反硝化的關(guān)鍵因素之一。Ouyang等［42］從污染河流的沉積物中分離出1株不動桿菌MZ-5，當(dāng)震蕩速度為150～250 r/min，水體溶解氧濃度在7.35～7.66 mg/L時，MZ-5對氨氮的去除率達(dá)到90%以上。

溫度影響細(xì)菌的生長，而且低溫會影響脫氮過程中酶的活性，高溫會使酶變性從而喪失酶活性。適宜的溫度可以提高酶的活性，促進(jìn)酶促反應(yīng)。大多數(shù)異養(yǎng)硝化-好氧反硝化細(xì)菌的最適溫度在25～37 ℃，Zhang等［43］研究發(fā)現(xiàn)，反硝化副球菌（Paracoccus denitrificans）Z195的最佳脫氮條件為：C/N為7.47，搖動速度為108 r/min，溫度為31 ℃，初始pH為8.02。不過已有研究篩選出耐低溫和耐高溫的異養(yǎng)硝化-好氧反硝化細(xì)菌，為不同環(huán)境下的脫氮提供了技術(shù)支持。Huang等［44］分離到1株不動桿菌sp. Y16，在2 ℃條件下表現(xiàn)出良好的脫銨能力，并同時產(chǎn)生最終產(chǎn)物氮氣。Chen等［45］篩選出1株嗜熱異養(yǎng)硝化-好氧反硝化細(xì)菌，在最適溫度55 ℃的條件下，NH4+-N和NO3--N的平均去除率分別為71.0%和74.7%。目前廢水中普遍存在碳源不足、低碳氮比等特點，為了保證反硝化的順利進(jìn)行，需要額外添加碳源，以提高反硝化速率。

4" 異養(yǎng)硝化-好氧反硝化菌在水產(chǎn)養(yǎng)殖中的應(yīng)用

益生菌在水產(chǎn)養(yǎng)殖中的應(yīng)用非常廣泛。有大量報道稱，益生菌可以改善養(yǎng)殖水質(zhì)，降低水體中氨

氮和亞硝酸鹽的含量，促進(jìn)水中優(yōu)勢菌群的形成，抑制病原微生物的生長［46-51］。Zokaeifar等［52］研究發(fā)現(xiàn)，在養(yǎng)殖水體中投放枯草芽孢桿菌可顯著降低氨氮、亞硝酸鹽和硝酸鹽含量，提高凡納濱對蝦的生長性能和存活率。這說明益生菌是一種很好的水體改良劑，并且對水生動物產(chǎn)生有益的影響。異養(yǎng)硝化-好氧反硝化細(xì)菌也能降低水體中的氨氮，已有研究人員將其應(yīng)用到養(yǎng)殖水體處理。如羅國芝等［53］從活性污泥中分離出1株異養(yǎng)硝化-好氧反硝化細(xì)菌，將其應(yīng)用到循環(huán)水養(yǎng)殖系統(tǒng)中，能夠有效去除氨氮和硝酸態(tài)氮。這說明異養(yǎng)硝化細(xì)菌可以用于凈化養(yǎng)殖水體?？祩骼诘龋?4］研究發(fā)現(xiàn)，將3株異養(yǎng)硝化-好氧反硝化細(xì)菌，花津灘芽孢桿菌（Bacillus hwajinpoensis）SLWX2、嗜堿鹽單胞菌（Halomonas alkaliphila）X3

和麥?zhǔn)辖惶鎲伟ˋlteromonas macleodii）SLNX2組合起來對圓斑星鰈（Verasper variegates）養(yǎng)殖廢水的處理效果最佳，能夠顯著降低水體中的氨氮、亞硝酸鹽氮、硝酸鹽氮、總氮的含量，起到凈化水質(zhì)、維護(hù)魚體健康的作用。這說明不要局限于單株菌，可以將幾種菌聯(lián)用，發(fā)揮最大的優(yōu)勢。王淼等［55］分別將3種異養(yǎng)硝化細(xì)菌應(yīng)用到尼羅羅非魚養(yǎng)殖水體中，結(jié)果顯示，3種菌對水體中氨氮的去除率均達(dá)到了94%以上，而且能夠顯著提高尼羅羅非魚血清中T-AOC和SOD的活性。這說明異養(yǎng)硝化-好氧反硝化細(xì)菌不僅僅可以用來改善水質(zhì)，還可以提升魚類的抗氧化能力。陳猛等［56］從豬糞水自然曝氣池污水中分離出1株異養(yǎng)硝化-好氧反硝化菌株ZF2-3，將其應(yīng)用到氨氮濃度相對較低的水產(chǎn)養(yǎng)殖廢水中，結(jié)果總氮和氨氮的濃度分別下降了37.7%和67.4%，又將其應(yīng)用到氨氮濃度相對較高的豬糞廢水中，總氮和氨氮濃度分別降低了34.6%和30.4%，均具有良好的處理效果。錢春園等［57］從土壤中分離出1株高效的異養(yǎng)硝化菌HY13，將其應(yīng)用于甲魚養(yǎng)殖廢水中，經(jīng)216 h的培養(yǎng)，氨氮去除率達(dá)64.3%，但在培養(yǎng)基中，96 h氨氮濃度即降到最低。這說明當(dāng)菌株應(yīng)用于廢水處理時，不同的氨氮濃度、菌株接種量等均會影響氨氮的去除率。在水產(chǎn)養(yǎng)殖場，養(yǎng)殖池塘通常需要增氧以保證水生動物的生長。然而，反硝化通常在缺氧條件下進(jìn)行，而氨氮轉(zhuǎn)化為硝酸鹽的過程需要氧氣，氧氣的存在又會抑制厭氧反硝化菌的活性。因此，尋找有氧條件下能夠進(jìn)行反硝化反應(yīng)的菌株，在含氮廢水處理中的應(yīng)用是非常必要的。異養(yǎng)硝化-好氧反硝化細(xì)菌投放到養(yǎng)殖水體中能夠有效改善水質(zhì)條件，降低氨氮、亞硝酸鹽以及總氮的含量，但其作用機(jī)理以及降解氨氮的途徑目前尚不清楚。一些異養(yǎng)硝化-好氧反硝化細(xì)菌在水產(chǎn)養(yǎng)殖中應(yīng)用的研究結(jié)果匯總見表2。

5" 總結(jié)

目前對于異養(yǎng)硝化-好氧反硝化細(xì)菌的研究還處在實驗室范圍內(nèi)，在實際中的應(yīng)用鮮有報道。異養(yǎng)硝化-好氧反硝化細(xì)菌來源廣泛，不同種屬的細(xì)菌代謝途徑不同，產(chǎn)酶體系不同，脫氮途徑也不盡相同。除了脫氮以外，還具有除磷、鈣、重金屬等功能。碳源、碳氮比、pH、溶解氧、溫度等因素都會對異養(yǎng)硝化-好氧反硝化細(xì)菌的除氮效率產(chǎn)生影響。由于水體環(huán)境容易受多方面因素的影響，因此要根據(jù)不同的菌株來探索適合其生長的條件，發(fā)揮其最大脫氮性能。有些異養(yǎng)硝化-好氧反硝化細(xì)菌還能在極端環(huán)境下發(fā)揮硝化和反硝化作用。菌種接種濃度的選擇也是非常重要的，并不是濃度越高越好，適宜的濃度才能夠顯著改善水質(zhì)環(huán)境，提高養(yǎng)殖動物的生產(chǎn)性能。異養(yǎng)硝化-好氧反硝化細(xì)菌的EPS和QS可能在異養(yǎng)硝化-好氧反硝化細(xì)菌生長過程中微生物的聚集和信息交換中起重要作用。目前研究發(fā)現(xiàn)，主要有兩條脫氮途徑：（1） NH4+→NH2OH→NO2-→NO3-→NO2-→NO→N2O→N2；（2） NH4+→NH2OH→NO→N2O→N2。現(xiàn)有的研究大多集中在菌株的分離上，用于養(yǎng)殖廢水脫氮處理的研究很少，而且參與異養(yǎng)硝化和好氧反硝化降解途徑的功能基因和酶仍需要進(jìn)一步探索發(fā)現(xiàn)。

異養(yǎng)硝化-好氧反硝化菌株分布廣泛，未來發(fā)展?jié)摿薮??？梢試L試將多種菌株聯(lián)合起來，做成復(fù)合菌劑進(jìn)行使用，或者將其與藻類聯(lián)用。此外異養(yǎng)硝化-好氧反硝化細(xì)菌的檢測和鑒定方法還有待進(jìn)一步完善和規(guī)范，這對于異養(yǎng)硝化-好氧反硝化細(xì)菌的開發(fā)和研究具有重要意義。未來可以利用宏基因組測序技術(shù)對養(yǎng)殖環(huán)境中的菌群進(jìn)行全面分析，利用基因組學(xué)、轉(zhuǎn)錄組學(xué)、蛋白質(zhì)組學(xué)和代謝組學(xué)等組學(xué)方法深入研究異養(yǎng)硝化-好氧反硝化細(xì)菌的脫氮途徑機(jī)制，利用基因工程等手段進(jìn)一步研究異養(yǎng)硝化-好氧反硝化細(xì)菌的酶和功能基因。

參考文獻(xiàn)

［1］XU Z K，CAO J，QIN X M，et al.Toxic effects on bioaccumulation，hematological parameters，oxidative stress，immune responses and tissue structure in fish exposed to ammonia nitrogen：a review［J］.Animals，2021，11（11）：3304.

［2］CARNEIRO FIDLIS SILVA L，SANTIAGO LIMA H，ANTNIO DE OLIVEIRA MENDES T，et al.Heterotrophic nitrifying/aerobic denitrifying bacteria：ammonium removal under different physical-chemical conditions and molecular characterization［J］.Journal of Environmental Management，2019，248：109294.

［3］HE T X，WU Q F，DING C Y，et al.Hydroxylamine and nitrite are removed effectively by Streptomyces mediolani strain EM-B2［J］.Ecotoxicology and Environmental Safety，2021，224：112693.

［4］CHEN J，GU S Y，HAO H H，et al.Characteristics and metabolic pathway of Alcaligenes sp.TB for simultaneous heterotrophic nitrification-aerobic denitrification［J］.Applied Microbiology and Biotechnology，2016，100（22）：9787-9794.

［5］XI H P，ZHOU X T，ARSLAN M，et al.Heterotrophic nitrification and aerobic denitrification process：promising but a long way to go in the wastewater treatment［J］.The Science of the Total Environment，2022，805：150212.

［6］WANG H S，CHEN N，F(xiàn)ENG C P，et al.Insights into heterotrophic denitrification diversity in wastewater treatment systems：progress and future prospects based on different carbon sources［J］.The Science of the Total Environment，2021，780：146521.

［7］ROUT P R，BHUNIA P，DASH R R.Simultaneous removal of nitrogen and phosphorous from domestic wastewater using Bacillus cereus GS-5 strain exhibiting heterotrophic nitrification，aerobic denitrification and denitrifying phosphorous removal［J］.Bioresource Technology，2017，244（1）：484-495.

［8］ZHOU H F，CHENG L，XIA L S，et al.Rapid simultaneous removal of nitrogen and phosphorous by a novel isolated Pseudomonas mendocina SCZ-2［J］.Environmental Research，2023，231（1）：116062.

［9］YANG W S，XU L，WANG Z，et al.Synchronous removal of ammonia nitrogen，phosphate，and calcium by heterotrophic nitrifying strain Pseudomonas sp.Y1 based on microbial induced calcium precipitation［J］.Bioresource Technology，2022，363：127996.

［10］ZHENG L L，LIN H，DONG Y B，et al.A promising approach for simultaneous removal of ammonia and multiple heavy metals from landfill leachate by carbonate precipitating bacterium［J］.Journal of Hazardous Materials，2023，456：131662.

［11］HU X F，SU J F，ALI A，et al.Heterotrophic nitrification and biomineralization potential of Pseudomonas sp.HXF1 for the simultaneous removal of ammonia nitrogen and fluoride from groundwater［J］.Bioresource Technology，2021，323：124608.

［12］YANG L，WANG X H，CUI S，et al.Simultaneous removal of nitrogen and phosphorous by heterotrophic nitrification-aerobic denitrification of a metal resistant bacterium Pseudomonas putida strain NP5［J］.Bioresource Technology，2019，285：121360.

［13］WAN W J，HE D L，XUE Z J.Removal of nitrogen and phosphorus by heterotrophic nitrification-aerobic denitrification of a denitrifying phosphorus-accumulating bacterium Enterobacter cloacae HW-15［J］.Ecological Engineering，2017，99：199-208.

［14］LI C E，YANG J S，WANG X，et al.Removal of nitrogen by heterotrophic nitrification-aerobic denitrification of a phosphate accumulating bacterium Pseudomonas stutzeri YG-24［J］.Bioresource Technology，2015，182：18-25.

［15］WANG J L，CHEN P Z，LI S P，et al.Mutagenesis of high-efficiency heterotrophic nitrifying-aerobic denitrifying bacterium Rhodococcus sp. strain CPZ 24［J］.Bioresource Technology，2022，361：127692.

［16］DENG B，F(xiàn)U L Q，ZHANG X P，et al.The denitrification characteristics of Pseudomonas stutzeri SC221-M and its application to water quality control in grass carp aquaculture［J］.PLoS One，2014，9（12）：114886.

［17］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，2012，108：1-7.

［18］REN N Q，XIE T H，XING D F.Composition of extracellular polymeric substances influences the autoaggregation capability of hydrogen-producing bacterium Ethanoligenens harbinense［J］.Bioresource Technology，2009，100（21）：5109-5113.

［19］OMOIKE A，CHOROVER J.Spectroscopic study of extracellular polymeric substances from Bacillus subtilis：aqueous chemistry and adsorption effects［J］.Biomacromolecules，2004，5（4）：1219-1230.

［20］PADHI S K，TRIPATHY S，SEN R，et al.Characterisation of heterotrophic nitrifying and aerobic denitrifying Klebsiella pneumoniae CF-S9 strain for bioremediation of wastewater［J］.International Biodeterioration amp; Biodegradation，2013，78：67-73.

［21］WANG X J，WANG W Q，LI Y，et al.Biofilm activity，ammonia removal and cell growth of the heterotrophic nitrifier，Acinetobacter sp.，facilitated by exogenous N-acyl-homoserine lactones［J］.RSC Advances，2018，8（54）：30783-30793.

［22］ZHU Z Q，YANG Y，F(xiàn)ANG A R，et al.Quorum sensing systems regulate heterotrophic nitrification-aerobic denitrification by changing the activity of nitrogen-cycling enzymes［J］.Environmental Science and Ecotechnology，2020，2：100026.

［23］SONG T，ZHANG X L，LI J，et al.A review of research progress of heterotrophic nitrification and aerobic denitrification microorganisms （HNADMs）［J］.The Science of the Total Environment，2021，801：149319.

［24］WANG B，PENG Y Z，GUO Y Y，et al.Impact of partial nitritation degree and C/N ratio on simultaneous Sludge Fermentation，Denitrification and Anammox process［J］.Bioresource Technology，2016，219：411-419.

［25］TSUJINO S，UEMATSU C，DOHRA H，et al.Pyruvic oxime dioxygenase from heterotrophic nitrifier Alcaligenes faecalis is a nonheme Fe（II）-dependent enzyme homologous to class II aldolase［J］.Scientific Reports，2017，7：39991.

［26］ROTTHAUWE J H，WITZEL K P，LIESACK W.The ammonia monooxygenase structural gene amoA as a functional marker：molecular fine-scale analysis of natural ammonia-oxidizing populations［J］.Applied and Environmental Microbiology，1997，63（12）：4704-4712.

［27］HOLMES D E，DANG Y，SMITH J A.Nitrogen cycling during wastewater treatment［M］//Advances in Applied Microbiology.Amsterdam：Elsevier，2019：113-192.

［28］JANG J，ASHIDA N，KAI A，et al.Presence of Cu-type （NirK'） and cd1-type （NirS'） nitrite reductase genes in the denitrifying bacterium Bradyrhizobium nitroreducens sp.nov［J］.Microbes and Environments，2018，33（3）：326-331.

［29］魏渤惠，羅曉，呂鵬翼，等.高效異養(yǎng)硝化-好氧反硝化菌Glutamicibacter sp.WS1低溫下對多種氮源的脫氮特性及氮代謝機(jī)制［J］.環(huán)境科學(xué)，2023，44（9）：5006-5016.

［30］CUI Y，CUI Y W，HUANG J L.A novel halophilic Exiguobacterium mexicanum strain removes nitrogen from saline wastewater via heterotrophic nitrification and aerobic denitrification［J］.Bioresource Technology，2021，333：125189.

［31］ZHOU X Q，WANG Y L，TAN X，et al.Genomics and nitrogen metabolic characteristics of a novel heterotrophic nitrifying-aerobic denitrifying bacterium Acinetobacter oleivorans AHP123［J］.Bioresource Technology，2023，375：128822.

［32］CHEN M P，HE T X，WU Q F，et al.Enhanced heterotrophic nitrification and aerobic denitrification performance of Glutamicibacter arilaitensis EM-H8 with different carbon sources［J］.Chemosphere，2023，323：138266.

［33］ZENG J Y，LIAO S A，QIU M，et al.Effects of carbon sources on the removal of ammonium，nitrite and nitrate nitrogen by the red yeast Sporidiobolus pararoseus Y1［J］.Bioresource Technology，2020，312：123593.

［34］HUANG Q，ALENGEBAWY A，ZHU X Y，et al.Performance of Paracoccus pantotrophus MA3 in heterotrophic nitrification-anaerobic denitrification using formic acid as a carbon source［J］.Bioprocess and Biosystems Engineering，2022，45（10）：1661-1672.

［35］LENG J T，LU J Y，HAI C，et al.Exploring influence mechanism of small-molecule carbon source on heterotrophic nitrification-aerobic denitrification process from carbon metabolism，nitrogen metabolism and electron transport process［J］.Bioresource Technology，2023，387：129681.

［36］KE X，LIU C，TANG S Q，et al.Characterization of Acinetobacter indicus ZJB20129 for heterotrophic nitrification and aerobic denitrification isolated from an urban sewage treatment plant［J］.Bioresource Technology，2022，347：126423.

［37］MA B，ZHANG H H，ZHAO D J，et al.Characterization of non-taste amp; odor produced aerobic denitrification actinomycetes strains Streptomyces spp.isolated from reservoir ecosystem：Denitrification performance and carbon source metabolism［J］.Bioresource Technology，2023，367：128265.

［38］HU J，YAN J B，WU L，et al.Isolated heterotrophic nitrifying and aerobic denitrifying bacterium for treating actual refinery wastewater with low C/N ratio［J］.Journal of Bioscience and Bioengineering，2021，132（1）：41-48.

［39］羅杰，杜濤，劉楚吾，等.不同鹽度、pH條件下氨氮對管角螺稚貝毒性影響［J］.動物學(xué)雜志，2010，45（3）：102-109.

［40］WEI B H，LUO X，MA W K，et al.Biological nitrogen removal and metabolic characteristics of a novel cold-resistant heterotrophic nitrification and aerobic denitrification Rhizobium sp.WS7［J］.Bioresource Technology，2022，362：127756.

［41］DENG M，ZHAO X L，SENBATI Y，et al.Nitrogen removal by heterotrophic nitrifying and aerobic denitrifying bacterium Pseudomonas sp.DM02：removal performance，mechanism and immobilized application for real aquaculture wastewater treatment［J］.Bioresource Technology，2021，322：124555.

［42］OUYANG L，WANG K J，LIU X Y，et al.A study on the nitrogen removal efficacy of bacterium Acinetobacter tandoii MZ-5 from a contaminated river of Shenzhen，Guangdong Province，China［J］.Bioresource Technology，2020，315：123888.

［43］ZHANG H H，LI S L，MA B，et al.Nitrate removal characteristics and 13C metabolic pathways of aerobic denitrifying bacterium Paracoccus denitrificans Z195［J］.Bioresource Technology，2020，307：123230.

［44］HUANG X F，LI W G，ZHANG D Y，et al.Ammonium removal by a novel oligotrophic Acinetobacter sp.Y16 capable of heterotrophic nitrification-aerobic denitrification at low temperature［J］.Bioresource Technology，2013，146：44-50.

［45］CHEN J，ZHENG J，LI Y，et al.Characteristics of a novel thermophilic heterotrophic bacterium，Anoxybacillus contaminans HA，for nitrification-aerobic denitrification［J］.Applied Microbiology and Biotechnology，2015，99（24）：10695-10702.

［46］LI X，WANG T J，F(xiàn)U B R，et al.Improvement of aquaculture water quality by mixed Bacillus and its effects on microbial community structure［J］.Environmental Science and Pollution Research International，2022，29（46）：69731-69742.

［47］NIMRAT S，KHAOPONG W，SANGSONG J，et al.Improvement of growth performance，water quality and disease resistance against Vibrio harveyi of postlarval whiteleg shrimp （Litopenaeus vannamei） by administration of mixed microencapsulated Bacillus probiotics［J］.Aquaculture Nutrition，2020，26（5）：1407-1418.

［48］ABDO S E，EL-NAHAS A F，ABDELMENAM S，et al.The synergetic effect of Bacillus species and Yucca shidigera extract on water quality，histopathology，antioxidant，and innate immunity in response to acute ammonia exposure in Nile tilapia［J］.Fish amp; Shellfish Immunology，2022，128：123-135.

［49］ZHANG X P，F(xiàn)U L Q，DENG B，et al.Bacillus subtilis SC02 supplementation causes alterations of the microbial diversity in grass carp water［J］.World Journal of Microbiology amp; Biotechnology，2013，29（9）：1645-1653.

［50］ZHANG Y Y，JI T W，JIANG Y N，et al.Long-term effects of three compound probiotics on water quality，growth performances，microbiota distributions and resistance to Aeromonas veronii in crucian carp Carassius auratus gibelio［J］.Fish amp; Shellfish Immunology，2022，120：233-241.

［51］LIANG Q，ZHANG X P，LEE K H，et al.Nitrogen removal and water microbiota in grass carp culture following supplementation with Bacillus licheniformis BSK-4［J］.World Journal of Microbiology amp; Biotechnology，2015，31（11）：1711-1718.

［52］ZOKAEIFAR H，BABAEI N，SAAD C R，et al.Administration of Bacillus subtilis strains in the rearing water enhances the water quality，growth performance，immune response，and resistance against Vibrio harveyi infection in juvenile white shrimp，Litopenaeus vannamei［J］.Fish amp; Shellfish Immunology，2014，36（1）：68-74.

［53］羅國芝，陳家捷，于文杰，等.一株新型異養(yǎng)硝化細(xì)菌處理養(yǎng)殖水的效果［J］.環(huán)境工程學(xué)報，2016，10（8）：4206-4212.

［54］康傳磊，李秋芬，張艷，等.三株異養(yǎng)硝化-好氧反硝化細(xì)菌對圓斑星鰈養(yǎng)殖水質(zhì)的凈化效果［J］.漁業(yè)科學(xué)進(jìn)展，2018，39（2）：42-48.

［55］王淼，李忠徽，衣萌萌，等.零換水條件下3種異養(yǎng)硝化細(xì)菌對底部充氧池塘水質(zhì)和尼羅羅非魚生長、抗氧化能力的影響［J］.水產(chǎn)學(xué)報，2020，44（7）：1147-1155.

［56］陳猛，李安章，張明霞，等.一株異養(yǎng)硝化-好氧反硝化菌的分離鑒定及其對養(yǎng)殖廢水中氮的去除特性［J］.農(nóng)業(yè)資源與環(huán)境學(xué)報，2020（2）：270-279.

［57］錢春園，郭曉澤，高鋒，等.異養(yǎng)硝化菌的分離及在養(yǎng)殖廢水處理中的應(yīng)用［J］.浙江海洋大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版），2017（6）：481-486.

Research progress of heterotrophic nitrifying-aerobic denitrifying bacteria and its application in aquaculture

YAO Baolan， LIU Jia， YAN Zihao， LU Yuqian， KOU Yihan， LI Yuehong

（College of Animal Science and Technology，Jilin Agricultural University，Changchun" 130118，China）

Abstract： Heterotrophic nitrifying-aerobic denitrifying bacteria can simultaneously achieve nitrification and denitrification，with efficient denitrification performance.Heterotrophic nitrifying-aerobic denitrifying bacteria are currently one of the research hotspots in wastewater denitrification treatment for the removal of nitrogen-containing organic compounds in nitrogen-containing wastewater.The article reviews the research status，mechanism of action，nitrogen removal influencing factors，and application in aquaculture of heterotrophic nitrifying-aerobic denitrifying bacteria，in order to provide theoretical basis for the research of heterotrophic nitrifying-aerobic denitrifying bacteria and provide new ideas for the application of heterotrophic nitrifying-aerobic denitrifying bacteria in aquaculture.

Key words： heterotrophic nitrifying-aerobic denitrifying bacteria; denitrification; mechanism of action; aquaculture; wastewater treatment