好氧反硝化細菌脫氮研究進展

司圓圓,陳興漢,許瑞雯,李艷豐

(陽江職業技術學院，廣東 陽江 529500)

在水產養殖中，水環境中的氮素含量過高會造成水體的富營養化。其中氨氮及亞硝酸鹽等毒性較高會對水生生態系統造成嚴重影響[1-2]，特別是亞硝酸鹽轉化速率低、毒性大，由此造成的水產動物損傷甚至死亡[3]。生物脫氮通過氨化、硝化、反硝化作用實現，將氮素通過一系列反應轉化為氮氣的過程。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展，研究的熱點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殖水體中氨氮及亞硝酸鹽超標的問題，而反硝化是去除水體中硝酸鹽及亞硝酸鹽的重要途徑。傳統上認為反硝化作用只有在厭氧或缺氧條件下發生，這與水產養殖中富氧的環境相悖。隨著對生物脫氮研究的深入，在水處理過程中也發現有好氧反硝化現象[4]。好氧反硝化菌是一類可利用好氧反硝化酶，在有氧條件下進行反硝化作用的細菌。本文就好氧反硝化細菌的特點、應用及國內外研究研究進展綜述如下。

1 好氧反硝化概述

1.1 好氧反硝化細菌

好氧反硝化菌是一類可利用好氧反硝化酶，在有氧條件下進行反硝化作用的細菌。因這類細菌具有同時硝化和反硝化的能力而被學者廣泛關注。這類細菌主要包括Pseudomonas sp.、Alcaligenes sp.和 Paracoccus sp.等，這類細菌一般為革蘭氏陰性，在5～37℃均可生長，最適溫度為25～35℃。好氧或者厭氧，常見于土壤、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。目前好氧反硝化細菌菌種多從天然土壤中、海洋環境或不同工藝的水處理系統篩選，部分菌株經過馴化，對溫度、鹽度、重金屬等具有一定的適應能力。隨著研究的發展，好氧反硝化細菌以其新的脫氮特點在廢水處理中的應用價值引起了人們的廣泛關注。目前研究多集中在對好氧反硝化過程酶系以及脫氮的分子機理方面，用于調控水產養殖水質的研究還不深入。

1.2 好氧反硝化酶系統

目前普遍認為好氧反硝化酶系統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)。四種酶在氮素轉化過程中起主要作用，Nar催化硝態氮到亞硝態氮，Nir催化亞硝態氮到一氧化氮，nor催化一氧化氮到一氧化二氮，最后在nos的作用下生成氮氣。周質硝酸鹽還原酶在好氧反硝化中能夠優先表達，受氧分子的抑制性較??；亞硝酸鹽還原酶位于細胞壁與細胞膜之間，在有氧和無氧條件下都能表達；一氧化氮還原酶對 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中，在低氧或缺氧條件下均能表達，作用產物為 N2。

2 國內外研究進展

2.1 國外研究進展

國外對好氧反硝化細菌目前的研究熱點集中在好氧反硝化作用酶系統及反應機理。1988年，Robertson等首次在除硫和反硝化處理系統中分離出好氧反硝化菌證實為脫氮副球菌(Paracoccus denitrificans)，并報道了好氧反硝化酶系的存在[5]；2001年，Su JJ等發現了一些能在O2濃度(氧分壓)很高情況下仍可生存的反硝化菌。至此越來越多的好氧反硝化菌被證實存在，好氧反硝化過程的分子機制也被學界關注并研究[6]；2005年Joo HS在初始含有360 mg/L氨氮的基本培養基中，當C/N為10和20時，氨氮能被完全消耗[7]；2010年，L Zhu等在貧營養生態系統中分離出一株好氧反硝化細菌Pseudomonas，在溶解氧3～10mg/L時仍可進行反硝化，證實貧營養生態系統中存在好氧反硝化細菌可以以硝態氮為電子受體進行好氧反硝化反應[8]；2014年，B Ji等研究了好氧反硝化細菌 Pseudomonas stutzeri在氧氣濃度高達17.5 mg/L時，對硝態氮的脫除效率為93.7%，好氧反硝化酶的基因napA and nirS均被擴增，narG, norB and nosZ也有表達[9]；2016年，Srivastava M 1 等對異養硝化細菌的分子生態學進行研究，從稻田土壤中分離出的PDN3、PDN19、PDN14對氨態氮的脫除效率較高，與Bacillus cereus有較高(>98%)的近源性[10]。

2.2 國內研究進展

國內對好氧反硝化細菌的研究起步較晚。主要集中在好氧反硝化細菌的篩選、工藝等方面。

2000年，李峰等采用序批式反應器處理氨氮廢水，試驗結果驗證了好氧反硝化的存在[11]；丁愛中等通過實驗論證好氧生物反硝化反應存在的依據[12]；2004年，周丹丹等采用污泥馴化手段富集好氧反硝化細菌，將得到的馴化污泥分離純化，共得到 105株菌。用測TN的方法對所篩菌株進行初篩，得到 25株對TN去除率達到 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制和影響因素[13]。

2014年，王兆陽等[14]篩選到1株高效好氧反硝化菌,通過形態觀察、生理生化特征及16S rDNA序列分析,對菌株進行了鑒定，同時對其好氧反硝化特性和異養硝化功能進行了研究.好氧反硝化菌株為假單胞菌屬(Pseudomonas sp.),碳源、C/N、pH及溫度對菌株反硝化活性影響較大，可實現同步硝化反硝化，這對南方地區冬季廢水處理具有潛在應用價值；2016年，李小義等采集了近海表層沉積物進行富集培養，分離獲得一株具有高效好氧反硝化能力的菌株F13-1，并對之進行反硝化基因的初步分析；袁會蘭等對好氧反硝化途徑關鍵酶進行基因克隆，首次獲得了好氧反硝化途徑的napA、norB和nosZ基因全長序列并完成了上述3個基因及基因產物的結構和組成特點分析[15]。

3 結論與展望

3.1 結論

最近十年來，對于好氧反硝化細菌的研究，主要集中在三個方面：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出耐冷、耐鹽及可降解毒性有機物及 N2O 減排的潛力。三是研究好氧反硝化過程的降解機理。目前用于好氧反硝化細菌調控水產養殖水質有一定的前景，但研究還不深入。

3.2 展望

好氧反硝化細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，解決養殖環境好氧與反硝化脫氮的矛盾，可克服反硝化過程厭氧與水產養殖好氧之間的矛盾，具有重要的應用前景。以后的研究方向將側重于高鹽分、低溫等極端環境下好氧反硝化細菌對氮素脫除的研究。

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