河流沉積物反硝化治理對環境的保護措施

李石寶　邢玉澤

摘要：反硝化過程是治理拉薩河河流沉積物，改善流域生態環境的有效途徑。本文對此展開探究，概述了反硝化機理與影響因素，分析了反硝化四個還原過程的特征，提出了同位素配對法對N2產物的精準測定。

關鍵詞：沉積物；反硝化；氮氣；一氧化氮；同位素配對

中圖分類號：X13 文獻標識碼：A 文章編號：2095-672X（2018）01-0209-02

DOI：10.16647/j.cnki.cn15-1369/X.2018.01.121

Environmental protection measures for river sediment denitrification treatment

Li Shibao1， Xing Yuze 2

（1. School of Science， Tibet University， Lhasa Tibet 850000，China；

2. College of Chemistry and Chemical Engineering， Taiyuan University of Technology， Taiyuan Shanxi 030024， China）

Abstract： The denitrification process is an effective way to control the sediment of the Lhasa River and improve the ecological environment in the basin. This paper explores the mechanism of denitrification and its influencing factors， analyzes the characteristics of four reduction processes of denitrification， and proposes the accurate determination of N2 products by isotope pairing method.

Key words： Sediment； Denitrification； Nitrogen； Nitric oxide； Isotope pairing

1 反硝化概述

1.1 機理

反硝化菌在無氧環境下，通過將硝酸鹽作為電子受體完成呼吸作用，從而獲得相應的能量。這一過程是硝酸鹽呼吸的途徑之一。少數反硝化細菌為自養菌，如脫氮硫桿菌，它們氧化硫或氫獲得能量，同化二氧化碳，以硝酸鹽為呼吸作用的最終電子受體。

總反硝化過程方程式如下：

2NO3- + 10e -+ 12H+ → N2 + 6H2O，ΔG=-333kJ/mol

其中包括了四個還原反應：

A.硝酸鹽還原為亞硝酸鹽：2NO3-+ 4H+ + 4e- → 2NO2-+ 2H2O

B.亞硝酸鹽還原為一氧化氮：2NO2-+ 4H+ + 2e- → 2NO + 2H2O

C.一氧化氮還原為一氧化二氮：2NO + 2H+ + 2e- → N2O + H2O

D.一氧化二氮還原為氮氣：N2O + 2H+ + 2e- → N2 + H2O

反硝化作用使硝酸鹽還原為氮氣，降低土壤氮素營養含量，對于農業生產不利。反硝化主要應用于河流沉積物的處理，用于改善河流氮污染，控制溫室氣體釋放，預測環境變化。

1.2 影響因素

（1）通氣與水分：反硝化作用通常是在缺氧與厭氧環境下進行的，所以受土壤水分與空氣流通因素影響較大。旱地土壤中存在的局部與暫時性的環境為反硝化作用提供了條件，施加有機肥能夠增加好氧微生物呼吸作用，可以促進反硝化作用[1-2]。

（2）溫度：反硝化作用的溫度限制范圍比較寬，在-4-65℃之間反硝化作用都可以進行，要發生顯著的反硝化作用，溫度必須控制在5℃以上。反硝化最佳溫度環境為30-60℃。

（3）碳源：反硝化細菌絕大多數都是異氧細菌，碳源種類對硝酸還原酶活性沒有顯著的影響，對氧化亞氮還原酶活性有影響。如果C/N比值過高，碳源就相對過剩，就要消耗部分NO3-作為氮源，作為電子受體的硝酸根離子相對較少，所以還原產生的氧化二氮含量就會減少；相反的，如果C/N比值降低，則碳源相對匱乏，硝酸根離子濃度較高，可以促進反硝化作用，產生反硝化作用的中間產物有所增多。

（4）酸堿度：酸堿度是反硝化過程的重要影響因素，反硝化細菌最適宜在pH6.5-7.5范圍內發生作用，此時的反硝化速率最快，當酸堿度不在這一范圍內時，反硝化速率明顯下降。河流等水生生態系統中，反硝化過程的控制因素非常重要，因為這些影響因素決定了河流氮污染的治理效率、對溫室氣體的控制效率，以及對環境預測的效率。

2 反硝化酶促反應

2.1 硝酸鹽還原

硝酸鹽還原酶能夠促進硝酸鹽的還原反應，還原生成亞硝酸鹽。化學方程式為：

用于硝酸鹽還原的還原酶主要有兩類，一類是鑲嵌于細胞膜內表面的硝酸鹽還原酶，另一類是分布在細胞膜外的硝酸鹽還原酶。前者主要包括3個復合體，由亞基組成；后者復合體由2個亞基組成。這兩類硝酸鹽還原酶都有鉬碟呤鳥嘌呤二核苷酸，以及鐵硫蛋白等結構。

2.2 亞硝酸鹽還原

在亞硝酸鹽還原酶的作用下，亞硝酸鹽被還原成一氧化氮，這是反硝化關鍵的一步。同時一氧化氮也是反硝化過程的第一個氣態中間產物，具有較強的反應性，是毒害氣體。

亞硝酸還原酶主要以胞內酶為主，細胞內部具有降解亞硝酸鹽的功能，是一種氧化還原酶。亞硝酸鹽還原過程中，催化作用必須同時依靠電子供體與傳遞體的參與，在無氧環境下進行。

亞硝酸還原酶同樣分布在細胞膜的外質中，按照催化中心可以分為Cu型與Cyt型亞硝酸鹽還原酶。通常這兩類還原酶不會同時存在于一種細菌中。目前運用較多的是第二種Cyt型亞硝酸鹽還原酶，該類還原酶屬于二聚體[3]。

2.3 一氧化氮還原

一氧化氮還原反應同樣在一氧化氮還原酶的催化作用下進行，這一過程一氧化氮將被還原為一氧化二氮。

一氧化氮還原酶是反硝化過程中最后一個被分離的酶，分布于細胞膜表面。一氧化氮還原酶包括2個亞單位，分子量分別為53kDa、16.5kDa。較大的亞單位具有疏水性，其內部包含組氨酸，能夠與血紅素結合；較小的亞單位能夠與紅血素結合，主要存在于細胞外部周質，能夠接收外部電子。一氧化氮對環境有危害，對水體、土壤和大氣可造成污染。聚合危害表現在與氧氣聚合形成腐蝕性二氧化氮；分解產物為氮氣，氧氣，還有少量一氧化二氮。工業上一氧化氮去除方法主要是采用氫氧化鈉反應，方程式為NO + NO2 + 2NaOH = 2NaNO2 + H2O。

2.4 一氧化二氮還原

一氧化二氮還原反應是整個反硝化過程的最后步驟，在一氧化二氮還原酶的作用下將一氧化二氮還原為氮氣。

一氧化二氮還原酶最早于20世紀八十年代末被發現，分布于膜外周質，屬于二聚體，分子量為67kDa。主要包含兩個銅活性中心，但是催化中心結構目前還不清楚。國外科學家在施氏假單胞菌的研究中確定了一氧化二氮還原酶，在有一氧化二氮存在的情況下，X射線晶體結構中無氧的條件下為紫色活躍的還原酶。這一研究結果說明，基質結合點上的Cu硫團性質，同時也表明一氧化二氮與復雜金屬中心的相互作用。

3 反硝化測定技術

同位素配對法是測定氮氣最為準確的方法之一，測定過程的靈敏度非常高，是目前應用比較廣泛的反硝化測定技術。在拉薩河流水生生態系統中，采用15N同位素配對法，是將15N元素所在硝酸根加入沉積物覆水中，讓15NO3-與14NO3-混合之后，經過沉積物的反硝化作用，產生28N、29N、30N，進而對這些產物進行測定。反硝化過程消耗的硝酸鹽主要來自于沉積物的耦合消化與非耦合消化作用，對這兩類應當加以區別[3]。同時，拉薩河河流反硝化脫氮產生的氮氣也有可能是在厭氧氨氧化的作用下產生的。通過同位素配對，能夠準確識別兩種情況下的脫氮效率。一般反硝化作用的脫氮率能夠達到90%以上，而厭氧氨氧化作用脫氮效率要小很多。不過對于拉薩河河流反硝化的處理，其水生環境中的植物、底泥物質都會對同位素配對造成干擾，包括生物膜、附著生物、腐殖質等，都會成為反硝化集中區域。所以對于水生生態環境較為復雜的水域，采用同位素配對技術可能對結果有所高估。

4 結語

反硝化處理技術是改善拉薩河河流生態環境的重要技術手段，反硝化過程主要包括四個階段：硝酸鹽還原為亞硝酸鹽、亞硝酸鹽還原為一氧化氮、一氧化氮還原為一氧化二氮、一氧化二氮還原為氮氣。反硝化過程是去除拉薩河河流氮素、解決拉薩河河流氮污染的最佳途徑，同時能夠調節區域氮循環，乃至調節全球范圍的氮循環，改善整體環境[4]。

參考文獻

[1]張波，杜應旸，陳宇煒等.太湖流域典型河流沉積物的反硝化作用[J].環境科學學報，2012，32（8）：1866-1873.

[2]王琳，李季，康文力等.河流沉積物中反硝化細菌的分離及脫氮除磷研究[J].環境科學，2009，30（1）：91-95.

[3]鞠菲.錦凌水庫施工建設過程中的生態環境保護措施[J].環境保護與循環經濟，2013，33（07）：59-61.

[4]劉玉鳳.青山水庫生態環境現狀及保護措施[J].環境保護與循環經濟，2012，32（07）：73-75.

收稿日期：2017-12-05

項目基金 ：西藏大學人才隊伍建設項目《拉薩河沉積物反硝化研究》，項目編號：010341

作者簡介：李石寶（1990-），男，博士生，西藏大學理學院講師，西藏地理科研團隊、藏式建筑與人居環境研究創新團隊成員，研究方向為地理科學與生態學。