硝化桿菌(Nitrobacte)和硝化螺菌(Nitrospira)在脫氮系統中的研究進展

史文燕，張健

(蘭州交通大學 環境與市政工程學院，甘肅 蘭州 730070)

NOB屬已知的有7種，分別是硝化桿菌屬(Nitrobacter)、硝化螺菌屬(Nitrospira)、(Nitrotoga),硝化球菌屬(Nitrococcus)、硝化刺菌屬(Nitrospina)、‘CandidatusNitromaritima’、Nitrolancea[1]。其中Nitrobacter和Nitrospira是在污水廠里最廣泛存在的兩種NOB屬，它們依次屬于變形桿菌門(PhylumProteobacteria)和硝化螺菌門(PhylumNitrospira)[2-3]。Nitrobacter最早是從污水廠中分離培養出來的，所以很長一段時間內，它都被認為是污水處理廠中NOB群落的優勢菌[4]。然而，隨著分子生物技術的不斷利用和發展，許多學者對硝化菌的種群結構進行更深入研究發現Nitrospira具有更強的代謝活性[5]，其對基質的親和力大，在氨氮濃度較低的環境中更具競爭優勢[6]。另外，Nitrobacter和Nitrospira在亞硝酸鹽氧化的過程中能夠一起生存并表現出協同作用[7]。

1 Nitrobacter和 Nitrospira的生理形態特征

Nitrobacter和Nitrospira是具有高度多樣性的化能自養細菌且廣泛的分布在淡水、土壤和污水污泥等多種環境中。與其他NOB屬一樣，Nitrobacter和Nitrospira較難培育，獲得的培養物也難以繼續維持，而且這些細菌的生理特性還不完全清楚。因此后續關于生理學方面的研究仍然具有很大的困難[8]。

2 Nitrobacter與Nitrospira之間的競爭

表1 硝化桿菌和硝化螺菌的動力學參數比較Table 1 Comparison of kinetic parameters of Nitrobacter and Nitrospira

表2 生物廢水處理系統中硝化桿菌和硝化螺菌主要競爭條件的比較Table 2 Comparison of the main conditions of competition between Nitrobacter and Nitrospira in the biological wastewater treatment system

3 硝化脫氮系統中影響Nitrobacter和Nitrospira活性和豐度的主要因素

3.1 溶解氧

DO通過影響傳質速率從而對NOB豐度活性造成影響。研究結果顯示Nitrobacter和Nitrospira活性的最適DO濃度范圍不同[18-19]。有研究表明，當DO 濃度>1.0 mg/L時，Nitrobacter的含量大于Nitrospira的含量；然而，當DO 濃度<1.0 mg/L時，則會是相反的結果[7，20]。Roots等[21]研究表明在SBR反應器(DO=0.2～1 mg/L)中Nitrospira含量達到了總微生物相對數量的53%。在長期運行的SBR反應器中(DO=0.5～1.0 mg/L)，Park等[13]觀察到Nitrospira的基因拷貝數從7.0×107±1.2×106gen copies/mL增加到7.7×108±7.5×107gen copies/mL。當DO濃度從3 mg/L逐漸降低至0.5 mg/L 在SBR反應器中運行了114 d，觀察到Nitrospira豐度從2.07 × 109增加到 9.19 × 1010copies/g MLSS[22]。

Nitrobacter的氧利用率[OUR=289 mg/(g VSS·h)]遠遠大于Nitrospira[OUR=32 mg/(g VSS·h)]氧利用率[23]。當DO濃度在5～6 mg/L時，Nitrobacter的含量比Nitrospira的含量高出幾個數量級[24]。在曝氣階段，溶解氧從1.7 mg/L減少至1.0 mg/L，使優勢菌從Nitrobacter變成Nitrospira[25]。這說明低濃度DO有利于Nitrospira的生長和繁殖但會對Nitrobacter的活性有抑制作用。

3.2 溫度

眾所周知，硝化反應速率隨著溫度的變化而變化，但太高的溫度會抑制硝化細菌的活性，從而降低硝化反應速率。跟其他細菌一樣，Nitrobacter和Nitrospira對溫度也很敏感，有學者研究表明，在純培養的條件下，Nitrobacter和Nitrospira最佳的溫度范圍分別是30～45 ℃和30～35 ℃[7，15，26]。

在25 ℃的SBR反應器長期運行中，Nitrobacter的數量占總微生物數量的40.3%[27]。研究溫度(14～40 ℃)對Nitrospira的短期影響，結果表明 OUR從11 mg/(gVSS·h)增加到32 mg/(gVSS·h)當溫度在14～35 ℃之間，而在35～40 ℃之間，Nitrospira活性幾乎下降了2倍[15]。Nitrobacter和Nitrospira之間在溫度方面的區別，在與Nitrospira對高于35 ℃的高溫更加敏感。上述關于溫度對Nitrobacter和Nitrospira影響的研究表明，與Nitrobacter相比，Nitrospira對溫度適應范圍小且更適合較低溫。

3.3 pH

pH對Nitrobacter和Nitrospira的影響主要是因為高的pH會導致FA含量的增加從而抑制它們的活性。Nitrospira的最佳pH范圍是8～8.3[15]。而Nitrobacter的最佳pH范圍是7.6～8.0[28]，在5個間歇曝氣硝化反應器中設置一樣的pH值(7.6～7.8)，結果顯示在所有反應器中Nitrospira是NOB的優勢菌且占總NOB菌群的73%以上[29]。這說明Nitrospira對高pH具有更高的親和力。

3.4 FA和FNA

眾所周知，FA和FNA對活性污泥組成成分有重要影響。當FA 和FNA的濃度分別為6.5 mg/L和0.002 mg/L時，完全抑制了NOB 的活性[30]。但相反的結果顯示在FA的濃度為14.8 mgN/L時，對NOB的抑制作用不明顯[18，31]。FA和FNA對純培養的Nitrospira的抑制閾值分別為0.04～0.08 和0.03 mgN/L，對Nitrobacter的抑制濃度分別是10 mgN/L和0.2～0.4 mgN/L[7，32]，但Blackburne等[23]研究結果表明，FA對Nitrobacter的抑制濃度是50 mgN/L。對Nitrospira來說，低濃度FA(18～25 mg/L)的抑制作用不明顯，而高濃度FA(36～50 mg/L)造成了負面的影響[33]。上述結果說明Nitrospira對于低濃度的FA和FNA 更加敏感。另外FA和FNA抑制值的變化可能是由于實驗條件不同以及存在不同種類的亞硝酸鹽氧化劑所導致。鑒于FA和FNA對Nitrobacter和Nitrospira的抑制作用差異很大，這在今后的研究中也是非常重要的。

4 結論與展望

(1)利用先進的分子生物學技術(PCR技術與DGGE 等)以及生物信息學的方法,對Nitrobacter和Nitrospira進行定性和定量分析，構建能夠獲得nxr基因，這樣就能夠快速、簡便地確定了Nitrobacter和Nitrospira菌株。進一步從環境中篩選出來，并研究其生理生化和其遺傳學特性，獲得高效的亞硝酸鹽氧化菌株。

(2)從宏觀上進一步研究各種環境因素和抑制劑對Nitrobacter和Nitrospira的活性影響,以及產生影響的原因,從微觀上探討及其作用機理,以期找到提高活性的最有效途徑。為根治我國嚴峻的氨氮污染作出貢獻。