反硝化細(xì)菌研究現(xiàn)狀和發(fā)展態(tài)勢(shì)
——基于Web of Science數(shù)據(jù)庫(kù)

陳偉紅，祁寶川，王凱麗，張萌，錢大益

（伊犁師范大學(xué)化學(xué)與環(huán)境科學(xué)學(xué)院污染物化學(xué)與環(huán)境治理重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，新疆伊寧 835000）

0 引言

氮肥的過(guò)度使用和污水的不達(dá)標(biāo)排放使得硝酸鹽污染成為全球性的環(huán)境問(wèn)題[1]。硝酸鹽作為水體中的常見(jiàn)污染物之一，由于其具有高度可溶性和可移動(dòng)性，易通過(guò)降水等途徑遷移到水體中，危及人類健康和水環(huán)境安全[2]。隨著人們對(duì)水質(zhì)的更加重視，對(duì)硝酸鹽的治理要求也越來(lái)越高。因此，研究經(jīng)濟(jì)高效的脫氮技術(shù)具有重要意義。目前，生物脫氮被公認(rèn)為是最有效的脫氮技術(shù)[3]。

傳統(tǒng)的生物脫氮技術(shù)通過(guò)好氧和厭氧兩個(gè)單元分步運(yùn)行，脫氮過(guò)程復(fù)雜，去除氮不徹底，且會(huì)增加處理成本和管理難度[3-4]。好氧反硝化細(xì)菌的發(fā)現(xiàn)打破了實(shí)現(xiàn)同步硝化反硝化的屏障。1984 年，ROBERTSON[5]等發(fā)現(xiàn)了第一株好氧反硝化細(xì)菌(Paracoccussp.)，之后，科研人員陸續(xù)分離到多株好氧反硝化細(xì)菌；該類菌在有氧環(huán)境中可將氮污染物轉(zhuǎn)化為無(wú)害的氣態(tài)氮，其生命周期短、效率高，具有較好的污水脫氮優(yōu)勢(shì)和潛力[6-8]。經(jīng)過(guò)幾十年的發(fā)展，研究人員在反硝化細(xì)菌領(lǐng)域開(kāi)展了大量研究，產(chǎn)出了海量文獻(xiàn)，取得了較大成就；但對(duì)于該領(lǐng)域的研究仍缺乏全面深入的梳理與總結(jié)，缺少?gòu)挠?jì)量學(xué)角度分析該領(lǐng)域研究概況和預(yù)測(cè)發(fā)展趨勢(shì)。

文獻(xiàn)計(jì)量分析是一種基于數(shù)學(xué)統(tǒng)計(jì)的文獻(xiàn)和信息挖掘方法，可以通過(guò)文獻(xiàn)的關(guān)鍵詞、聚類關(guān)系來(lái)反映研究趨勢(shì)和熱點(diǎn)，由于其顯著的客觀性、定量化、模型化的宏觀研究趨勢(shì)，已成為各個(gè)科學(xué)領(lǐng)域進(jìn)行全球分析的重要工具[9-11]。但截至目前為止，關(guān)于反硝化細(xì)菌領(lǐng)域的文獻(xiàn)計(jì)量分析尚不清楚。基于此，本研究以Web of Science 核心數(shù)據(jù)庫(kù)為基礎(chǔ)，利用VOSviewer、Citespace等工具，對(duì)1990—2022年間發(fā)表的反硝化細(xì)菌相關(guān)文獻(xiàn)進(jìn)行分析，從全球研究趨勢(shì)、國(guó)內(nèi)外研究熱點(diǎn)等層面進(jìn)行探討，闡明反硝化細(xì)菌的研究概況和發(fā)展趨勢(shì)。

1 材料和方法

數(shù)據(jù)來(lái)源：Web of Science 核心合集數(shù)據(jù)庫(kù)（以下簡(jiǎn)稱WOS）。

檢 索 式 ：TS=("denitrifying bacteria" OR "denitrification bacteria" OR " denitrifying bacterium" OR denitrobacteria OR denitrifiers OR de-nitrobacteria)；初步檢索得到6204 篇文獻(xiàn)，經(jīng)Citespace 去重后，得到6130 篇有效文獻(xiàn)；檢索年限為1990 年1 月1 日至2022年8月23日，最后檢索執(zhí)行時(shí)間為2022年8月23日。

統(tǒng)計(jì)工具：利用WOS 數(shù)據(jù)庫(kù)自帶的分析工具、Citespace、VOSviewer軟件以及Origin 9.1等軟件。

2 結(jié)果與分析

2.1 發(fā)文量

學(xué)術(shù)論文數(shù)量的時(shí)序變化可直接反映某學(xué)科發(fā)展概況，預(yù)測(cè)未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)和動(dòng)態(tài)[12]。1990—2022 年間有關(guān)反硝化細(xì)菌研究文獻(xiàn)年度產(chǎn)出分布如圖1所示。

圖1 反硝化細(xì)菌研究年度發(fā)文量趨勢(shì)圖

該領(lǐng)域科研產(chǎn)出總體呈對(duì)數(shù)增長(zhǎng)，發(fā)展過(guò)程可分為3 個(gè)階段：起因(1990—1995)、探索(1995—2004)、發(fā)展（2004—至今）；2004 年后文獻(xiàn)產(chǎn)出持續(xù)增加，近幾年平均發(fā)文在80篇以上。產(chǎn)出最多的3個(gè)國(guó)家分別是中國(guó)、美國(guó)、德國(guó)；分析可知，美國(guó)和德國(guó)科研產(chǎn)出保持平穩(wěn)發(fā)展；而中國(guó)的文獻(xiàn)產(chǎn)出在2009 年后迅速增長(zhǎng)，成為該領(lǐng)域主要的科研力量。值得注意的是，全球發(fā)文和中國(guó)科研產(chǎn)出趨勢(shì)保持一致，說(shuō)明中國(guó)學(xué)者在該領(lǐng)域科研活動(dòng)活躍，具有突出的科研實(shí)力，初步具備引領(lǐng)全球科研產(chǎn)出的快速增長(zhǎng)。

中國(guó)在該領(lǐng)域內(nèi)產(chǎn)出的首篇論文是LIU 等[13]在1996年發(fā)表在Water Science and Technology期刊上的《Removal of nitrogen from coal gasification and coke plant wastewaters in A/O submerged biofilm-activated sludge(SBF-AS)hybrid system》，該研究利用浸沒(méi)式生物膜（缺氧區(qū)）-活性污泥（好氧區(qū)）混合系統(tǒng)去除來(lái)自煤氣化和焦化廠廢水中的氮；該論文是中國(guó)水處理領(lǐng)域的突破性成果，對(duì)推進(jìn)廢水脫氮研究意義重大。

2.2 作者分析

作者共現(xiàn)知識(shí)圖譜可以直觀展示該研究領(lǐng)域的作者合作情況；其中高頻作者及作者間的合作團(tuán)隊(duì)是某一研究領(lǐng)域十分重要的科研力量[14]。

根據(jù)普賴斯定律，核心著者至少發(fā)表論文數(shù)為Mp篇，計(jì)算公式為：

式中：Npmax為作者發(fā)表的論文數(shù)，核心作者是發(fā)文量在Mp篇以上的作者[15]。本研究中，Npmax=35，Mp≈4篇，故發(fā)文量≥4篇的作者即為該領(lǐng)域的核心作者，共計(jì)214 位作者。利用Citespace 繪制作者合作關(guān)系網(wǎng)絡(luò)（圖2）。

圖2 反硝化細(xì)菌研究發(fā)文作者合作網(wǎng)絡(luò)

由圖可知，該領(lǐng)域并未形成聯(lián)系廣泛的合作關(guān)系。經(jīng)過(guò)數(shù)十年的發(fā)展，形成了以PENG YONGZHEN、SCHLOTER MICHAEL、FUCHS G 等核心作者為中心的9 個(gè)主要科研團(tuán)隊(duì)，團(tuán)隊(duì)內(nèi)部合作關(guān)系相對(duì)密切，但團(tuán)隊(duì)間分布離散，交流合作較少。另外，一部分作者以獨(dú)立研究為主，缺乏合作交流，不利于科學(xué)研究的拓展和深化。

排名前十位核心作者中（如表所示），中國(guó)高產(chǎn)作者有五位；發(fā)文量第一的是北京工業(yè)大學(xué)的彭永臻院士，該團(tuán)隊(duì)主要致力于污水處理，在解決污水脫氮除磷難題、新工藝技術(shù)研發(fā)和推廣應(yīng)用等方面取得了多項(xiàng)突破性成果；西安建筑科技大學(xué)的黃廷林教授發(fā)文量第五，該團(tuán)隊(duì)的研究方向主要有水源水質(zhì)污染與富營(yíng)養(yǎng)化控制、水處理理論與技術(shù)、水環(huán)境修復(fù)理論與技術(shù)，水工藝與工程系統(tǒng)優(yōu)化理論與技術(shù)。排名第八的是山東大學(xué)的張健教授團(tuán)隊(duì)，主要研究方向?yàn)樯锱c生態(tài)環(huán)境凈化技術(shù)。

總體而言，反硝化細(xì)菌研究已得到眾多學(xué)者的高度重視，但作者之間的合作關(guān)系仍然較弱，尤其是高產(chǎn)核心作者之間，在今后的研究過(guò)程中應(yīng)加強(qiáng)合作交流研究。

2.3 國(guó)家/機(jī)構(gòu)合作分析

利用Citespace 繪制國(guó)家合作網(wǎng)絡(luò)，Top N=50，共100個(gè)節(jié)點(diǎn)，483條連線；研讀圖譜可知，圖譜節(jié)點(diǎn)較多但相對(duì)分散，節(jié)點(diǎn)間的連線也較少，說(shuō)明國(guó)家間的總體合作關(guān)系較弱。反硝化細(xì)菌研究分布在108 個(gè)國(guó)家，研究產(chǎn)出文獻(xiàn)數(shù)量排名前五的國(guó)家有中國(guó)(2647)、美國(guó)(1043)、德國(guó)(607)、日本(362)、法國(guó)(241)。

中介中心性可用來(lái)衡量節(jié)點(diǎn)的重要性和關(guān)聯(lián)性（中介中心性超過(guò)0.1的節(jié)點(diǎn)稱為關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)）。美國(guó)雖產(chǎn)出較多，但其中介中心性很低(0.04)，說(shuō)明美國(guó)與其他國(guó)家的關(guān)聯(lián)度較低，其具備獨(dú)立的研究體系。以德國(guó)為中心的歐洲國(guó)家，包括葡萄牙、荷蘭、瑞典法國(guó)、英國(guó)、意大利等均具有較高的中介中心性，并且相互之間合作密切，形成了一個(gè)區(qū)域研究中心。比利時(shí)(Belglum)中介中心性最高，為0.62，在該領(lǐng)域有較深入的研究，論文產(chǎn)出影響力較高。中國(guó)的中介中心性為0.12，相對(duì)較高，說(shuō)明中國(guó)正在加強(qiáng)與其他國(guó)家的合作，完善國(guó)際合作關(guān)系，追求科學(xué)研究共同發(fā)展（圖3）。

圖3 反硝化細(xì)菌研究發(fā)文國(guó)家合作網(wǎng)絡(luò)

2.4 引文分析

核心文獻(xiàn)分析有助于對(duì)某領(lǐng)域的發(fā)展歷史、研究核心、經(jīng)典理論進(jìn)行快速定位，一般以文獻(xiàn)被引用頻次的高低認(rèn)定核心文獻(xiàn)[16]。總被引頻次前10 的論文如表1所示。

表1 反硝化細(xì)菌高被引文獻(xiàn)

高被引文獻(xiàn)主要關(guān)注生物化學(xué)和分子基礎(chǔ)、氮氧化物、反硝化途徑、好氧反硝化、水體硝酸鹽等方面的問(wèn)題。德國(guó)學(xué)者ZUMFT[17]發(fā)表的Cell biology and molecular basis of denitrification 綜述性論文引用頻次最高，該論文從反硝化遺傳基因、反硝化呼吸作用、厭氧血紅素和血紅素D1的生物合成、一氧化二氮還原系統(tǒng)等方面綜述了反硝化分子生物學(xué)基礎(chǔ)。另外，Science 收錄的Biochemistry of nitric oxide and its redox-activated forms[18]，主要介紹了一氧化氮的生物化學(xué)功能，包括合成酶促機(jī)制、減輕其毒性的方法等。此外，其中一篇高被引文獻(xiàn)被頂級(jí)期刊Nature收錄[22]，該研究發(fā)現(xiàn)了第4種產(chǎn)生氧氣的生物途徑。在十篇高被引論文中，美國(guó)產(chǎn)出3篇，其余7篇均產(chǎn)自歐洲國(guó)家，如德國(guó)、荷蘭、英國(guó)等，和國(guó)家分析結(jié)論一致。

2.5 關(guān)鍵詞分析

（1）關(guān)鍵詞共現(xiàn)分析

關(guān)鍵詞體現(xiàn)論文的核心主題，對(duì)關(guān)鍵詞分析能夠發(fā)現(xiàn)某一領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)[27]，利用VOSviewer 對(duì)關(guān)鍵詞進(jìn)行可視化分析，選取頻次≥10 的關(guān)鍵詞生成關(guān)鍵詞共現(xiàn)圖譜，如圖4所示。

總體來(lái)看，該領(lǐng)域演化出3條主要的研究路徑：反硝化微生物群落結(jié)構(gòu)、生物反硝化、污廢水脫氮。涵蓋的主要研究領(lǐng)域包括：一是土壤、水體等環(huán)境中的反硝化生物群落多樣性的測(cè)定；二是廢水中氮污染物的降解去除研究；三是對(duì)生物反硝化脫氮研究，主要表現(xiàn)在反硝化細(xì)菌的分離篩選，四是對(duì)氮去除途徑的研究，如氨氧化、短程硝化反硝化，好氧反硝化。

根據(jù)關(guān)鍵詞共現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)（圖a），“Denitrifying bacteria”出現(xiàn)頻次較高，同時(shí)形成與“denitrification”“nitrogen removal”“Nitrate”等緊密相連的六大聚類，如圖中所示，六大聚類代表性關(guān)鍵詞分別是：nitrate、denitrifying bacteria、nitrogen removal、denitrifiction、nitrite、environment等。

頻次前十的關(guān)鍵詞如圖b所示；分析可知，硝化反硝化是該領(lǐng)域的理論基石；污廢水、活性污泥等關(guān)鍵詞體現(xiàn)出應(yīng)用領(lǐng)域；另外，研究反硝化細(xì)菌的生物群落結(jié)構(gòu)和多樣性是該領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)所在。綜合來(lái)看，反硝化菌株在缺氧或好氧條件下降解脂肪族和芳香族化合物、好氧反硝化細(xì)菌的篩選及其脫氮特性、好氧反硝化脫氮機(jī)制研究依舊是當(dāng)前的研究熱點(diǎn)。

（2）研究現(xiàn)狀

關(guān)鍵詞的“突變”可以客觀描述短時(shí)間內(nèi)某個(gè)學(xué)科領(lǐng)域動(dòng)態(tài)的研究前沿問(wèn)題，反映一段時(shí)間內(nèi)的研究熱點(diǎn)和發(fā)展趨勢(shì)[28]。利用Citespace軟件的突變檢測(cè)算法(Burstness)對(duì)該領(lǐng)域6204 篇文獻(xiàn)做關(guān)鍵詞突變分析，突變?cè)~信息如表2所示。

結(jié)果顯示，該領(lǐng)域研究前沿一直處于動(dòng)態(tài)變化；在研究初期(1990—2004)，學(xué)者們更關(guān)注反硝化細(xì)菌的厭氧降解過(guò)程和代謝途徑；隨著對(duì)該領(lǐng)域廣度和深度的挖掘(2004—2016)，研究人員開(kāi)始利用分子生物學(xué)工具揭示反硝化細(xì)菌的基因信息；另外，該時(shí)期也突出了好氧反硝化以及反硝化細(xì)菌的分離鑒定研究；近幾年(2016—2022)研究者在關(guān)注反硝化細(xì)菌脫氮性能、生物群落分析等研究的同時(shí)，污水脫氮、異養(yǎng)硝化好氧反硝化、氮氧化物的釋放也是近幾年的重點(diǎn)關(guān)注方向。

突變強(qiáng)度最大的關(guān)鍵詞是“脫氮性能(performance)”，開(kāi)始突變時(shí)間較晚，說(shuō)明近幾年研究者更關(guān)注生物脫氮性能以及致力于提高污廢水脫氮效能。

（3）研究趨勢(shì)

①氧化物的釋放

氧化亞氮(N2O)是一種強(qiáng)大的長(zhǎng)壽命溫室氣體，是破壞臭氧層的主要貢獻(xiàn)者之一，氧化亞氮的大量排放嚴(yán)重影響了全球氣候變化[29]，其全球變暖潛能值是二氧化碳的298 倍[30]；反硝化作為溫室氣體N2O 的一個(gè)主要來(lái)源，在過(guò)去幾十年中引起了科研工作者的極大興趣[31]。有研究統(tǒng)計(jì)，大氣中N2O 濃度的增長(zhǎng)率估計(jì)為每10年2%左右[32]。伴隨著全球經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和人口資源的增長(zhǎng)，N2O 排放可能進(jìn)一步增加。因此，了解N2O排放機(jī)制，尋求N2O減排方法，對(duì)中國(guó)乃至全球溫室氣體減排具有重要意義。

②反硝化功能菌劑的研制和應(yīng)用

當(dāng)前研究主要關(guān)注自然環(huán)境中的反硝化微生物群落結(jié)構(gòu)[33-34]、利用生物群落分析氮循環(huán)過(guò)程[35]、利用分子生物技術(shù)探究脫氮功能菌群[36]，而對(duì)于反硝化功能菌劑的研究較少，面對(duì)生物脫氮效果不佳，生物存活率低，研制反硝化菌劑具有較高的應(yīng)用價(jià)值；如YANG等[37]以生物電化學(xué)確定了以Thauera為主的好氧反硝化聯(lián)合體，該聯(lián)合體具有良好的電化學(xué)活性和污染物性能。

③同步硝化反硝化

同步硝化反硝化(SND)因其運(yùn)行成本低、反應(yīng)速率快、出水水質(zhì)好等優(yōu)勢(shì)，近年來(lái)受到廣大研究者的青睞；SND 的實(shí)現(xiàn)關(guān)鍵在于異養(yǎng)硝化好氧反硝化細(xì)菌(HN-AD)，該類菌生長(zhǎng)速率快，可利用有機(jī)基質(zhì)作為碳源，也可同時(shí)降解不同形態(tài)的氮污染物[38]。這些優(yōu)勢(shì)使得硝化和反硝化在同一反應(yīng)器、同一條件下進(jìn)行成為可能。但同步硝化反硝化處理生活污水的氮代謝途徑及其耦合機(jī)制尚不明確、在不同運(yùn)行環(huán)境下的脫氮途徑變化趨勢(shì)不清晰、脫氮效果不佳等問(wèn)題亟待解決[39]。

④新型反硝化細(xì)菌的分離鑒定

新型反硝化細(xì)菌的分離鑒定及其脫氮途徑依舊是未來(lái)幾年內(nèi)的熱點(diǎn)研究所在。如CHEN等[40]從人工濕地中分離出一株異養(yǎng)硝化好氧反硝化細(xì)菌AlcaligenesfaecalisstrainWT14，該菌具有較強(qiáng)的硝酸鹽或亞硝酸鹽去除能力。LV 等[41]從城市活性污泥中分離到一種新型好氧反硝化菌Pseudomonassp.41，該菌株能在低溫條件下快速降解高濃度NO3--N。

⑤硝酸鹽氮的去除

目前，氮肥的過(guò)量使用，生活污水和人畜糞便大量排放，使得水體中的硝酸鹽氮成為一種分布廣泛且日益增加的污染物[42-43]。硝酸鹽含量高不僅會(huì)造成水體富營(yíng)養(yǎng)化，并且在厭氧和缺氧條件下產(chǎn)生的亞硝胺(NOAs)具有高毒害作用[44]；硝酸鹽污染問(wèn)題已引起世界關(guān)注。此外，反硝化作用是溫室氣體N2O 排放的重要途徑[45]；因此，利用經(jīng)濟(jì)環(huán)保高效的生物處理技術(shù)去除硝酸鹽氮具有十分重要的意義。

3 結(jié)論

本研究利用信息可視化軟件Citespace 和VOSviewer 對(duì)1990—2022 年WOS 數(shù)據(jù)庫(kù)收錄的反硝化細(xì)菌領(lǐng)域研究文獻(xiàn)進(jìn)行可視化分析，得出如下結(jié)論：

（1）時(shí)間維度上，該領(lǐng)域發(fā)展過(guò)程有起因、探索、發(fā)展三個(gè)階段；從空間特征來(lái)看，涉足國(guó)家較多，以中國(guó)、美國(guó)、德國(guó)為代表；歐洲國(guó)家合作意識(shí)較強(qiáng)，但總體合作關(guān)系較弱；中國(guó)研究起始于1996 年，隨后引領(lǐng)研究潮流。

（2）核心作者214 位，但合作交流較少；中國(guó)核心作者較多，以彭永臻院士為代表。從高被引論文可以看出，該領(lǐng)域借助生物化學(xué)和分子生物學(xué)工具，關(guān)注反硝化途徑、生物群落分析、好氧反硝化等研究?jī)?nèi)容，另外，高被引論文主要產(chǎn)自歐洲國(guó)家，中國(guó)在論文質(zhì)量和影響力方面有待加強(qiáng)。

（3）關(guān)鍵詞呈現(xiàn)出“工具—對(duì)象—方法”三種類型，反硝化是該領(lǐng)域的研究基礎(chǔ)，分子生物學(xué)等是工具，生物群落、污廢水脫氮等是研究對(duì)象；當(dāng)前的研究主要關(guān)注硝酸鹽氮的去除、好氧反硝化、有機(jī)化合物的反硝化降解以及反硝化細(xì)菌的篩選等；隨著該領(lǐng)域廣度和深度挖掘，研究人員更關(guān)注生物脫氮性能以及致力于提高污廢水的脫氮效能。

（4）根據(jù)分析結(jié)果，未來(lái)“反硝化細(xì)菌”研究領(lǐng)域更注重以下幾個(gè)方面的深化和擴(kuò)展：氮氧化物的排放研究、新型反硝化細(xì)菌的篩選及反硝化菌劑的研制和應(yīng)用、同步硝化反硝化研究、硝酸鹽氮的去除。