硝化-反硝化細菌在循環水高密度養殖中脫氮應用進展

李波，姜艷霞，王紅兵，管桂萍

（1．湖南農業大學生命科學技術學院，農業生物工程研究所，湖南 長沙 410128；2．湖南省畜牧獸醫研究所，湖南 長沙 410131）

循環水高密度養殖模式，集合了水處理技術、高密度水產養殖、集約化管理等先進理念于一體，是一種環境友好可持續化發展的養殖模式[1]。該模式實現高密度養殖和養殖水體的可循環利用以及糞便殘渣的可回收利用，僅需少量的土地和水體資源，即可產出同樣的產量，高效安全，降低了勞動成本，提高了養殖效率，減少了環境污染風險[2]。

隨著養殖密度的增加，水體中大量糞便以及剩餌的沉積，引起氨氮、亞硝態氮等有害物質的積累[3]，導致養殖水體惡化，嚴重影響了養殖產品的產量以及質量[4]。因此除去含氮化合物，成為改善水質并提高產量的關鍵。相比于物理、化學脫氮，生物脫氮具有成本低、無毒害且高效等特點[5]。大多數水產養殖工廠設立生化處理池，通過池內一些自養、異養細菌進行硝化-反硝化作用，以達到改善養殖水質的目的。現簡述硝化-反硝化細菌在循環水高密度養殖中脫氮應用進展，以期為硝化-反硝化細菌在實際工程的應用提供參考。

1 硝化-反硝化細菌的脫氮機理

硝化-反硝化細菌種類繁多，脫氮機理也復雜多樣[6]。根據其營養方式，可將不同硝化細菌分為自養硝化[7]和異養硝化[8]2 類，其中自養硝化細菌在生物脫氮中是主要菌群，而異養硝化細菌僅占很少一部分[9]。硝化作用可以分為2 個階段，首先由氨氧化細菌將銨態氮（NH4+-N）氧化為亞硝酸鹽氮（NO2--N），隨后硝化細菌將NO2--N 氧化為硝酸鹽氮（NO3--N）。而反硝化細菌可分為厭氧型以及好氧型，厭氧型反硝化細菌，需要在嚴格缺氧的條件下，將硝化作用的產物轉化為氮氣排入大氣中；而好氧型反硝化細菌，可直接與硝化細菌在同一反應器中進行硝化作用，完成生物脫氮作用[10]。特殊的是多數異養硝化細菌還能同時進行好氧反硝化作用，將硝化產物轉化為含氮氣體排入大氣中，目前，這類菌已成為生物脫氮工藝的重要研究對象。

1.1 自養硝化-厭氧反硝化

自養硝化-厭氧反硝化，是通過自養硝化細菌與厭氧反硝化細菌組合，從而實現2 級脫氮反應。自養型硝化細菌是一類可以二氧化碳（CO2）為唯一碳源，通過硝化過程獲取能量的化能自養細菌，其作為脫氮細菌的優勢菌群，在脫氮工藝中共同進行硝化作用，如氨氧化細菌、亞硝酸氧化細菌等，并能利用環境優勢進行生長。Jin 等[11]進行垂直綠化在黑水的應用效果的研究中，發現自養硝化細菌在脫氮中占據主要地位，而且脫氮效果明顯。隨著對硝化細菌的深入研究，人們也利用自養硝化細菌進行工農業廢水的處理。Larissa 等[12]在進行石油廢水中鹽度逐漸增加的研究時，發現參與銨去除過程中的細菌，絕大多數為自養型細菌。文獻[13]用自養硝化細菌與膜生物反應器聯合處理污水，結果顯示，總氮、總磷以及化學需氧量（COD）有顯著的下降，說明自養型細菌在處理污水方面是高效的。

1.2 異養硝化-好氧反硝化

文獻[14]發現存在異養硝化菌與好氧反硝化菌的偶聯過程，此類菌被稱為異養硝化-好氧反硝化菌。由于其特殊性，近年來已從濕地、淤泥、海水等地，獲得各種不同的異養硝化-好氧反硝化細菌，常見的包括不動桿菌（Acinetobacter）[15]、假單胞菌（Pseudomonas）[16]、克雷伯氏菌（Klebsiella pneumoniae）[17]、紅球菌（Rhodococcus）[18]。相比于傳統的生物脫氮工藝，其具有同步硝化-反硝化反應的能力[19]，可同時實現廢水中有機物和氮的除去，無須另建厭氧反應器，運行和維護費用較低。此外，好氧反硝化菌生長快、活性高，擁有高效的脫氮效率。Zhang等[20]研究了假單胞菌Y-5 在高氮環境中同步硝化、反硝化作用，結果表明，以NH4+-N 為唯一氮源時，Y-5 在24 h 內能去除103 mg/L 的NH4+-N，且無亞硝態氮、硝態氮積累，相比于自養型硝化細菌，其脫氮效率更快且更高。

2 硝化-反硝化細菌在處理含氮水體中的脫氮應用

在工農業中，化肥、合成洗滌劑的廣泛使用與不合理的排放，導致水體中的氮、磷含量升高，富營養化日益嚴重。通過生物脫氮來處理水體中的氮、磷越來越普及，如在制藥工廠中處理制藥廢水。張巖[21]在處理制藥廢水中，投入有機物降解菌和硝化細菌，結果顯示，出水的COD 和氨氮去除效果較好,系統內的用氧吸收速率（OUR）和硝化細菌活性也得到了提高。另外，大量生活污水的排放嚴重影響生態環境，而生物脫氮作為一類低成本、高效的脫氮工藝，廣泛應用于生活污水處理。Chen 等[22]提出了一種利用厭氧罐和創新的雙溶解氧控制技術的新型氧化溝系統，用于生活污水的生物除氮、除磷，其利用硝化、反硝化細菌的需氧特性，穩定控制雙溶解氧，有效提高了總氮、總磷的除去率。除此之外，文獻[23]將硝化-反硝化細菌附著在由移動床和流化床組合的載體生物膜反應器上，處理生活污水，結果表明，組合載體生物膜反應器比單個生物膜反應器除氮效果更高。

3 硝化-反硝化細菌在循環水高密度養殖中的脫氮應用

在高密度循環水養殖中，對水質的要求極為嚴格，因此改善水質是養殖成功的關鍵。當今工廠化高密度養殖已經成為趨勢，其中常用水處理技術包括空氣吹脫、離子交換吸附、臭氧氧化處理、電滲析處理以及生物脫氮，而硝化-反硝化細菌作為一類生物脫氮菌被廣泛應用在工廠處理養殖水中，不僅成本低、脫氮效率高，而且無毒害殘留，能大大提高養殖綜合效益。

3.1 自養硝化-厭氧反硝化細菌在循環水高密度養殖中的應用

自養硝化-厭氧反硝化細菌，通常應用于A/O工藝中用于生產尾水處理，在循環水高密度水產養殖中被用于生物濾池或掛膜處理中，以此改善養殖水質。劉佳[24]研究聚氨酯自養硝化生物膜在對蝦養殖水體凈化效果中發現，完成自養硝化生物膜掛膜后，試驗組NH4+-N 和NO2--N 濃度始終處于低水平波動狀態，且均在對蝦養殖安全范圍內，而對照組NH4+-N 和NO2--N 濃度均呈上升趨勢，其值并始終高于試驗組，表明自養硝化生物膜具有良好的改善水質的能力。羅國芝等[25]介紹了幾種常用的固定膜式生物過濾器，為循環水養殖系統中核心的水處理單元，是通過固定膜式生物過濾器為自養硝化細菌提供附著基面。除此之外，由于自養硝化細菌具有不需外加碳源、能夠定殖、不需定時投放菌液等優點，受到大多養殖戶青睞。

3.2 異養硝化-好氧反硝化細菌在循環水高密度養殖中的應用

異養硝化細菌生長速度快，環境適應能力強，在生物脫氮法處理污水時更有優勢[26]，發展前景良好，但需要大量的研究，去解決硝化細菌在實際應用中存在的問題。如將游離菌投放到養殖池后，由于環境條件發生改變，菌的生存、生長及其穩定性常常難以控制，從而導致對水體的凈化效果不穩定；一些應用前景良好的好氧硝化菌，在相對厭氧的底質中較難定植等。而王淼等[27]研究了嗜吡啶紅球菌、糞產堿桿菌以及巨大芽孢桿菌三株異養硝化細菌，對尼羅羅非魚養殖池塘水體的凈化效果，結果表明，加菌組的總氮等指標的積累量始終低于對照組，其中巨大芽孢桿菌凈化效果最為理想，嗜吡啶紅球菌、糞產堿桿菌相比于對照組也有明顯的凈化效果，表明在養殖池塘中添加異養硝化細菌，可有效維護養殖水質。另外，在生物濾池中水力停留時間也是水體脫氮的關鍵因素，劉暢文等[28]設計一種生物絮凝反應器，作為中式規模循環水養殖系統的水處理裝置，并研究在不同水力停留時間的運行效果，試驗證明，當水力停留時間（HRT）為12 h 時，反應器內污染物去除率最高，除氮效果明顯，并且反應器在不同HRT 條件下均以異養細菌為主，主要通過同化作用去除氮，好氧反硝化細菌和厭氧反硝化細菌同時是反應器的優勢菌屬。康傳磊[29]開展不換水連續養殖圓斑星鰈試驗，分別加入花津灘芽孢桿菌SLWX2、嗜堿鹽單胞菌X3 和麥氏交替單胞菌SLNX2 的不同組合，結果顯示，當SLWX2+X3+SLNX2 組合聯合使用時水體凈化效果最佳，而不加菌的出現大量死魚現象，說明異養硝化-好氧反硝化菌能有效維護水質。吳偉等[30]將脫氮副球菌投入淡水養殖池塘，經過38 d 的試驗，池塘中的無機氮有明顯的減少，其對養殖水體中的無機氮素以及有機污染物有較好的控制效果。

羅國芝等[31]從活性污泥中分離出一種具有異養硝化-好氧反硝化作用的菌株——醋酸鈣不動桿菌，并研究其對水產養殖用水的處理效果，將篩選所得醋酸不動桿菌接種至具有較高濃度硝態氮的養殖水體中，結果表明，水體中的氨氮、硝態氮、總氮除去率分別為（43.31±0.78）%，（91.70±3.61）%和（83.56±6.15）%，具有良好水產養殖用水凈化效果。異養硝化-好氧反硝化菌因為高效、生長快速以及能同步硝化、反硝化[32]，在循環水養殖中的應用受到了越來越多的關注。

4 結語

當前，我國水產養殖行業正處于高速發展階段，含氮化合物排放量日益增加、水質日益復雜的背景下，生物脫氮處理新技術的研發，始終是科研人員的關注熱點。異養硝化-好氧反硝化細菌在近年被通過間歇曝氣法、使用選擇培養基以及使用酸堿指示劑等方法大量發掘，現如今已被大量篩選出來后形成豐富菌種庫，并且被應用于水產養殖、生物廢水處理以及降解有機污染物等方面。在循環水高密度養殖中，異養硝化-好氧反硝化菌能將自養硝化-厭氧反硝化過程優勢結合在一起，解決了硝化與反硝化反應器分別獨立設置的問題，減少了反應器的規模和能源成本，其相比于自養細菌更能解決水體中與有機物不能兼容的問題。另外，大量的試驗證明，異養硝化-好氧反硝化菌在處理高密度養殖水體中具有高效的凈化水質能力，是一種在循環水高密度養殖中具有巨大潛力的生物修復細菌。