好氧反硝化菌及其在生物处理与修复中的应用研究进展丁炜

2011-12-25DOI:10.3724/SP.J.1145.2011.00923应用与环境生物学报2011，17(6):923~929ChinJApplEnvironBiol=ISSN1006-687X随着工业和社会经济快速发展，自然界的氮素平衡逐渐被打破，不仅造成了严重的环境污染与经济损失，甚至威胁到人类健康与生态安全.为此，国内外研究者陆续发现生物脱氮具有高效、稳定等特点，确立了传统的生物硝化反硝化理论.传统理论认为，生物脱氮由两步反应协同完成——硝化反应与反硝化反应，但每步反应均需要相应功能微生物及严格的环境条件：在好氧条件下，自养细菌将氨氮转化为亚硝态/硝态氮；随后在缺/厌氧条件下，异养细菌将亚硝态/硝态氮进一步转化为气态产物脱除.其中，研究者普遍认为只有在缺/厌氧条件下，反硝化酶系才具有活性，生物反硝化过程才能正常进行[1].然而，1980年Meiberg等在HyphomicrobiumX氧化二甲胺/三甲胺过程发现，该菌株在好氧条件下具有反硝化功能[2].随后，Robertson等在废水脱硫和反硝化系统中首次分离出一株好氧反硝化菌Thiosphaerapantotropha（现名脱氮副球菌Paracoccusdenitrificans），该菌株在利用氨氮过程中未出现明显的亚硝氮积累，具有同步异养硝化与好氧反硝化功能[3].此后，陆续有文献报道从不同环境样品及废水处理系统中分离筛选出大量具有好氧反硝化功能的微生物，为同步硝化反硝化生物脱氮新技术奠定了基础[4~11].本文即综述了国内外已筛选分离的主要好氧反硝化菌类群及其生长特性，重点阐述了好氧反硝化的作用机理、影响因素以及其在环境生物修复中的应用，并对今后的研究与应用方向作了展望.1分离获得的好氧反硝化菌主要类群好氧反硝化菌（Aerobicdenitrifier）是一类在有氧条件好氧反硝化菌及其在生物处理与修复中的应用研究进展*丁炜1,3朱亮1徐京1冯丽娟1徐向阳1,2**（1浙江大学环境工程系杭州310058）（2浙江大学-西澳大学水环境综合管理与保护联合研究中心杭州310058）（3中国石化集团上海工程有限公司上海200120）ProgressofResearchesonAerobicDenitrifiersandTheirApplicationinBioremediation*DINGWei1,3,ZHULiang1,XUJing1,FENGLijuan1&XUXiangyang1,2**(1DepartmentofEnvironmentalEngineering,ZhejiangUniversity,Hangzhou310058,China)(2ZJU-UWAJointCentreinIntegratedWaterManagementandProtection,Hangzhou310058,China)(3SINOPECShanghaiEngineeringCompanyLimited,Shanghai200120,China)AbstractInrecentyears,researchershavefocusedonaerobicdenitrifiersbecauseoftheiroutstandinggrowthcharacteristicsandfunctionsforsimultaneousheterotrophicnitrificationandaerobicdenitrification.Theisolatedstrainsandtheirgrowthcharacteristicswerereviewedinthispaper,andthedenitrificationperformance,influencingfactorsandactionmechanismswerealsosummarized.Furthermore,theapplicationofaerobicdenitrificationinenvironmentalbioremediationwasdiscussed.Researchesdemonstratethataerobicdenitrifiershaveobvioustechnologicaladvantageinnitrogenremoval,butthemechanismandfactorsofaerobicdenitrificationrequirefurtherstudyforitsapplicationinenvironmentalbioremediation.Fig2,Tab2,Ref53Keywordsaerobicdenitrifier;heterotrophicnitrification;biologicalnitrogenremoval;environmentalbioremediationCLCX172摘要好氧反硝化菌因其生长特性与同步异养硝化好氧反硝化功能，为环境生物脱氮提供了崭新的技术思路.综述了已分离获得的好氧反硝化菌类群及其生长特性，重点阐述了好氧反硝化菌生物脱氮性能、影响因素与好氧反硝化机理，探讨了好氧反硝化在环境生物修复领域的应用.已有研究表明，好氧反硝化菌在环境生物脱氮方面具有明显的技术优势，但有关好氧反硝化反应机理、影响因素等仍待解析，以期为好氧反硝化菌固定化、活性持留以及受污染环境水体修复等研究提供理论依据.图2表1参53关键词好氧反硝化菌；异养硝化；生物脱氮；环境生物修复CLCX172收稿日期：2010-11-01接受日期：2010-12-01∗国家科技支撑计划项目（Nos.2006�AJ08�012006�AJ08�01，2010�AJ25�00）和浙江省重大科技项目（Nos.2008C13007，2008C13020）资助SupportedbytheNational�eyTechnologyR�����rogramof�hina��eyTechnologyR�����rogramof�hina�TechnologyR�����rogramof�hina�R&DProgra��ofChina(Progra��ofChina(ofChina((Nos.2006�AJ08�01,2010�AJ25�00),andthe�a�or�cienceandTechnology�ro�ectof�he�iang,,andthe�a�or�cienceandTechnology�ro�ectof�he�iang,China(Nos.2008C13007,2008C13020)2008C13020))∗∗通讯作者Correspondingauthor(E-��ail:[e-mail])92417卷应用与环境生物学报ChinJApplEnvironBiol下利用周质硝酸盐还原酶（Periplas��icnitratereductase）等好氧反硝化酶进行脱氮反应的异养微生物，其分布广泛，可适应多种生境，多为好氧或兼性好氧.迄今为止，已分离获得大量具有好氧反硝化功能的菌株（表1），主要分属副球菌属（Paracoccus）、假单胞菌属（Pseudomonas）、产碱杆菌属（Alcaligenes）和芽孢杆菌属（Bacillus）等.目前，研究报道较全面的菌种包括最早从废水脱硫和反硝化处理系统分离获得的T.pantotropha（P.denitrificans）[3,12]，从猪场养殖废水分离获得、可耐受92%高浓度氧分压的PseudomonasstutzeriSU2[13~14]，从处理猪场废水活性污泥系统分离获得的AlcaligenesfaecalisNo.4[15~17]，以及从脱氮除磷活性污泥和环境样品中均分离得到的Microvirgulaaerodenitrificans[18~19].2好氧反硝化菌的生长特性与传统的反硝化细菌相比，好氧反硝化菌具有以下生长特性：1）有氧生长，大多数菌种可耐受3��g/L以下的溶解氧，部分菌种在高氧气分压下也具有反硝化活性，少数可耐受5~6��g/L溶解氧浓度[13,20~21]（表1）；2）大多好氧反硝化菌同时具有异养硝化及代谢难降解有机物的能力[3,10,15]；3）生长周期短，生长速率远大于自养菌[22]，例如文献报道Nitrosomonaseuropaea的最大比增长速率约为0.03~0.05h-1，而在同等生长条件下T.pantotropha的最大比生长速率高达0.4h-1，有效弥补了其异养脱氮活性相对较低的缺陷[3]；4）环境适应性强（pH、DO等条件），对高浓度有机物和氮的耐受力强[15]；5）反硝化气态产物一般为氧化亚氮（N2O），少数为氮气（N2）[5].3好氧反硝化反应机理为更好地阐明好氧反硝化过程机理及强化其脱氮过程的关键因子，研究者分别从降解酶系统、电子呼吸链等角度对部分模式菌株进行了功能研究[6,32,35].从两种反硝化菌的酶系统考虑，研究者分析发现整个反硝化过程涉及到4种还原酶，分别为硝酸盐还原酶（Nitratereductase，Nar）、亚硝酸盐还原酶（Nitritereductase，Nir）、一氧化氮还原酶（Nitric-oxidereductaseitric-oxidereductase，Nor）和一氧化二氮还原酶（Nitrous-oxidereductaseitrous-oxidereductase，Nos）[36].相比厌氧反硝化菌，好氧反硝化菌的细胞内存在不受溶解氧抑制的反硝化酶系统（图1）.研究表明菌株的好氧反硝化能力与其特殊硝酸盐还原酶的表达密切相关.硝酸盐还原酶（Nar）具有两种不同的形式：一种是膜结合硝酸盐还原酶（Me��brane-boundnitratereductase，M-Nar），它在厌氧环境优先表达，但对氧分子敏感，有氧条件下其活性易受抑制；另一种周质硝酸盐还原酶（Periplas��icnitratereductase，P-Nar）则具有较强的耐氧能力[6,9].从电子呼吸链角度来看，Robertson等研究认为厌氧反硝化时电子在向氧原子传递的过程中存在“瓶颈”（图1），而在好氧反硝化过程电子可在细胞色素c（Cytc）和细胞色素aa3（Cytaa3）传递从而解除氧气对反硝化电子呼吸链途径的抑制，使得过剩的还原力通过周质硝酸盐还原酶传递给硝酸盐（NO3-），将其还原为亚硝酸盐（NO2-）[3].此外，T.pantotropha可诱导或使用额外的细胞色素，则电子同时在多条细胞色素支链流动，从而打破“瓶颈”，使其可在不同底物条件下生长增殖[3].Kong等提出好氧反硝化菌中可能存在一种能以醌氢类（QH2）为电子供体、不受氧分子抑制的硝酸盐还原酶（Oxygenresistednitratereduetasexygenresistednitratereduetase，orNar），以及一种以细胞色素bc1（Cytbc1）为电子供体且不受氧分子抑制的亚硝酸盐还原酶（Oxygenresistednitritereductasexygenresistednitritereductase，orNir），从而在有氧条件下可将醌类的电子传递给硝酸盐分子将其还原，同时接受Cytbc1的电子生成NOx完成整个呼吸过程[6,37].此外，Chen等从电子分配角度研究了Pseudomonasaeruginosa好氧反硝化过程电子受体——氧和硝酸根的竞争影响，发现反硝化过程接收每个电子的能量得率是氧气呼吸途径的69%[35].只有在较低溶解氧条件下（0.05��g/L），增大溶解氧方能促进有氧呼吸，溶解氧的增大只微弱增强其对反硝化的抑制，厌氧时菌株的表观细胞得率明显减小，缺少NO3-或O2都会降低其生长率和反硝化率[32,35].可见，好氧反硝化菌包含两种硝酸盐还原酶，反硝化和有氧呼吸系统并存，NO3-和O2同时被还原，反硝化作用则可能以电子受体的角色与有氧呼吸形成辅助或竞争关系[15,38