好氧反硝化細(xì)菌脫氮研究進(jìn)展

司圓圓,陳興漢,許瑞雯,李艷豐

(陽(yáng)江職業(yè)技術(shù)學(xué)院，廣東 陽(yáng)江 529500)

在水產(chǎn)養(yǎng)殖中，水環(huán)境中的氮素含量過(guò)高會(huì)造成水體的富營(yíng)養(yǎng)化。其中氨氮及亞硝酸鹽等毒性較高會(huì)對(duì)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(dòng)物損傷甚至死亡[3]。生物脫氮通過(guò)氨化、硝化、反硝化作用實(shí)現(xiàn)，將氮素通過(guò)一系列反應(yīng)轉(zhuǎn)化為氮?dú)獾倪^(guò)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(jìn)展，研究的熱點(diǎn)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(wèn)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(rèn)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(duì)生物脫氮研究的深入，在水處理過(guò)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(jìn)行反硝化作用的細(xì)菌。本文就好氧反硝化細(xì)菌的特點(diǎn)、應(yīng)用及國(guó)內(nèi)外研究研究進(jìn)展綜述如下。

1 好氧反硝化概述

1.1 好氧反硝化細(xì)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(jìn)行反硝化作用的細(xì)菌。因這類細(xì)菌具有同時(shí)硝化和反硝化的能力而被學(xué)者廣泛關(guān)注。這類細(xì)菌主要包括Pseudomonas sp.、Alcaligenes sp.和 Paracoccus sp.等，這類細(xì)菌一般為革蘭氏陰性，在5～37℃均可生長(zhǎng)，最適溫度為25～35℃。好氧或者厭氧，常見(jiàn)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(xì)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(guò)馴化，對(duì)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(xì)菌以其新的脫氮特點(diǎn)在廢水處理中的應(yīng)用價(jià)值引起了人們的廣泛關(guān)注。目前研究多集中在對(duì)好氧反硝化過(guò)程酶系以及脫氮的分子機(jī)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(rèn)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(guò)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?dú)?。周質(zhì)硝酸鹽還原酶在好氧反硝化中能夠優(yōu)先表達(dá)，受氧分子的抑制性較小；亞硝酸鹽還原酶位于細(xì)胞壁與細(xì)胞膜之間，在有氧和無(wú)氧條件下都能表達(dá)；一氧化氮還原酶對(duì) 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(dá)，作用產(chǎn)物為 N2。

2 國(guó)內(nèi)外研究進(jìn)展

2.1 國(guó)外研究進(jìn)展

國(guó)外對(duì)好氧反硝化細(xì)菌目前的研究熱點(diǎn)集中在好氧反硝化作用酶系統(tǒng)及反應(yīng)機(jī)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(shí)為脫氮副球菌(Paracoccus denitrificans)，并報(bào)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(lái)越多的好氧反硝化菌被證實(shí)存在，好氧反硝化過(guò)程的分子機(jī)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(shí)，氨氮能被完全消耗[7]；2010年，L Zhu等在貧營(yíng)養(yǎng)生態(tài)系統(tǒng)中分離出一株好氧反硝化細(xì)菌Pseudomonas，在溶解氧3～10mg/L時(shí)仍可進(jìn)行反硝化，證實(shí)貧營(yíng)養(yǎng)生態(tài)系統(tǒng)中存在好氧反硝化細(xì)菌可以以硝態(tài)氮為電子受體進(jìn)行好氧反硝化反應(yīng)[8]；2014年，B Ji等研究了好氧反硝化細(xì)菌 Pseudomonas stutzeri在氧氣濃度高達(dá)17.5 mg/L時(shí)，對(duì)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(kuò)增，narG, norB and nosZ也有表達(dá)[9]；2016年，Srivastava M 1 等對(duì)異養(yǎng)硝化細(xì)菌的分子生態(tài)學(xué)進(jìn)行研究，從稻田土壤中分離出的PDN3、PDN19、PDN14對(duì)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(guó)內(nèi)研究進(jìn)展

國(guó)內(nèi)對(duì)好氧反硝化細(xì)菌的研究起步較晚。主要集中在好氧反硝化細(xì)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(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了好氧反硝化的存在[11]；丁愛(ài)中等通過(guò)實(shí)驗(yàn)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(xì)菌，將得到的馴化污泥分離純化，共得到 105株菌。用測(cè)TN的方法對(duì)所篩菌株進(jìn)行初篩，得到 25株對(duì)TN去除率達(dá)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(jī)制和影響因素[13]。

2014年，王兆陽(yáng)等[14]篩選到1株高效好氧反硝化菌,通過(guò)形態(tài)觀察、生理生化特征及16S rDNA序列分析,對(duì)菌株進(jìn)行了鑒定，同時(shí)對(duì)其好氧反硝化特性和異養(yǎng)硝化功能進(jìn)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(duì)菌株反硝化活性影響較大，可實(shí)現(xiàn)同步硝化反硝化，這對(duì)南方地區(qū)冬季廢水處理具有潛在應(yīng)用價(jià)值；2016年，李小義等采集了近海表層沉積物進(jìn)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(duì)之進(jìn)行反硝化基因的初步分析；袁會(huì)蘭等對(duì)好氧反硝化途徑關(guān)鍵酶進(jìn)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(zhǎng)序列并完成了上述3個(gè)基因及基因產(chǎn)物的結(jié)構(gòu)和組成特點(diǎn)分析[15]。

3 結(jié)論與展望

3.1 結(jié)論

最近十年來(lái)，對(duì)于好氧反硝化細(xì)菌的研究，主要集中在三個(gè)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(jī)物及 N2O 減排的潛力。三是研究好氧反硝化過(guò)程的降解機(jī)理。目前用于好氧反硝化細(xì)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(xì)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(guò)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(xì)菌對(duì)氮素脫除的研究。

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