好氧生物反硝化反应的实验证据丁爱中

简宇及第45卷增刊2。。。年3月科考孟叙好氧生物反硝化反应的实验证据丁爱中傅家模盛国英(中国科学院广州地球化学研究所有机地球化学国家重点实验室;广东省资源利用与环境保护重点实验室,广州510640.Email:aizhding@hotmail￡om)摘要一般认为生物反硝化反应是在严格的厌氧条件下发生的.实验中发现好氧条件下某些细菌能进行反硝化反应,并对其反应机理作出了解释.关键词硝酸盐污染反硝化反应好氧条件模拟实验硝酸盐氮(NO:一N)是水中一种颇受关注的污染物,地表水体和地下水的硝酸盐污染在世界各国都普遍存在.volokita等人「’]认为农业区过量施用的氮肥、生活废弃物、动物排泄物等是硝酸盐污染的主要原因.世界卫生组织(wHO,1984)12]和欧洲经济共同体(EEc,1980)13]制定的饮用水硝酸盐氮最大浓度分别为10和n.3mg/L.我国饮用水国家标准规定硝酸盐氮浓度小于20mg/L饮用水中硝酸盐浓度超标严重威胁着身体健康,地表水体中大量的硝酸盐会导致水体的富营养化.许多学者都在致力于水体硝酸盐除去方法的研究,其中反硝化作用是最主要的除去硝酸盐的过程,即将N03还原为NZ的过程,反应式为l4]NO三+se+3HZO=l/ZN:+6OH-一般认为,这个反应是在严格的厌氧条件下发生的15一7].有部分学者发现它能在好氧条件下进行阶`1〕,但对它的反应机理未给出进一步的解释.本文根据实验结果,对好氧条件下硝酸盐的还原反应作出一些解释.1材料与方法作者从土壤中分离出一种兼性细菌DNll,研究其在厌氧条件下的反硝化作用,但有趣的是,发现DN11能在好氧条件下还原硝酸盐.(l)细菌分离培养基.蒸馏水IL,(NH4)250439,KZHpO40.59,Mgso40.059,eael:4mg,0.005%甲酚红溶液25mL,离子溶液0.1mL(含EDAT二钠59,FeSO4·7HZO59,浓硫酸0.5mL,蒸馏水IL),12loe灭菌20min,用KZCO3调节培养基pH值至5.2.土壤样19用10mL无菌水稀释,静置沉淀,取上清液接人平板,在25℃下培养7d,观测到有细菌生成.逐步纯化,得到菌株DNH,冷藏保存.(2)实验方法.所有实验都是在开放体系(好氧条件,溶解氧的含量参见表1所示)下进行的,模拟柱由有机玻璃制成,砂样和土样经2mm筛子筛选,分层夯实,填人柱中(参数如表2所示),实验前用10%(V/妈的盐酸清洗模拟柱,减少介质背景干扰.每组实验都通过加与未加DNn细菌进行对比.含氮污水从柱的顶端由马式瓶定水头注人,底端采样,菌种由柱顶端随水一起注人.用标准方法对水样的N03一N,NO乏一N,NH聋一N,pH和生物量等进行了分析〔”1.试验用水的成分如表3所示.2779科考五叙第45卷增干IJ2000年3月简宁及表1实验过程中溶解氧和硝酸态氮的变化“)(单位:mg/L)DO4`2404一24石4.24为3.53耳33.43.02.02.0S】NO3一N一一一一一一一一一一一一一D0S2NO互一NDOCl{.;;;5.59一05·014.U4一4,.14一o11.,月10U言.}巨·97.了{.;4.06.7;{;:4.24.23.83.83.03.03.73.64.24.04.64.83.6NO互一刊一一一一一一一一一一一一一C25.0().14石074.43U4一52.54.43.勺4一03.54.03.55.25,65.69.83.87.9:.;{了5一211.2DO3.62刀1.8].40,42.71.61.00.81.4271.61.2KlNo全一NO·10·42·11·10·10·714222名2.11.10.10.1DOK2NO互一N4,O4.08.4:了3:乒33·81684.115.13614.U.4612.641510.53其_IU卜》4.010.53乃10.535IU.5a)一未检测到表2模拟柱的特征参数编号柱高/em横截面积c/mZ细砂亚砂土ClC2K1K26363.5963.5963.59孔隙度0.490.450、420.440.390`31渗透系数/m·dTOC/mg·L48040.5砂粘土4.3547(]4.524.526896.899.179.1744一436767一59l8l840丝40些4040lSS2表3供试污水的成分(除注明外,单位为mg/)L成分含量电导率z林5cm’2,sx一03PH764Eh/mV415溶解氧(Do)102微生物数目/个·mL`5,oxl护总硬度(eaeo3计)20018NH4+一N10.0NOZ一N0.29NO3一N7.05042一31.5C156,53HC0360,35游离CO:10乃1K+4,3Na十21.3CaZ+47.35MgZ+.19,902结果与讨论如图l(a)一c()所示,在好氧条件下,在不同的介质中NO三被DNll还原.在细砂和亚砂土中NO玉被完全还原,砂质粘土中70%一95%的NO玉被还原,而未加DNH的对照实验中,NO3的浓度反而有所增加,只是在不同的介质中增加的幅度有所不同.从对照实验的结果可以认2780简寸及第45卷增干!JZ000年3月科考五叙为,不同介质中NO玉的除去是由于生物反硝化的结果,除去效率不同是由于不同介质中有机物质的含量不同,它对细菌的活动性有一定的影响,因为所有的模拟实验条件是一致的.ǎ。O一Xà叮乙ǎ。O一又àO助C孔隙体积数孔隙体积数胞内还原DN11胞内同化细胞物质OǎUOCó八UnoOC月峥0艺0290J4,`,山,`11ǎ。。工Xà尸烈é23456789101112131415孔隙体积数图l不同介质中DNll对硝酸盐的除去效果及机制(a)细砂;(b)亚砂土;(c)砂粘土;(d)硝酸盐除去机制.图中空白格为加DNH菌种,阴影格为未加ND]l菌种,(a),(b)图出水中NO三一N=;0C一一出水中NO三一N浓度,0C一一初始NO三一N浓度这种现象是如何发生的呢?作为一种兼性细菌,DNH利用有机物作为电子给体,通过细胞合成还原NO三或NO:为NZ,同时可能产生一些中间产物,如下列过程:NO互升NO玉分NO分NZO升NZ胞外还原和胞内同化(图1(d))是除去N03的两种机制[”」,NO:通过反硝化菌的代谢活动,可最终还原成有机氮化合物,成为菌体的组成部分,这条途径归属为胞内同化;或最终还原成氮气,这条途径归属为胞外还原(图l(d))[’4].Robertson等人[’3,’“]认为,这是此类细菌对。:和NO3共呼吸的结果.0:对其有两方面的影响:一是阻碍胞外还原作用,一是抑制胞内同化作用.当环境中氧的浓度较高时,DNll偏向胞内同化硝酸盐,即在好氧条件下,NO3的除去是胞内同化的结果,而胞外还原作用被抑制;当溶解氧浓度较低时,胞外还原作用更容易发生,而胞内同化作用被抑制.这两种反应机制的发生及转换的氧浓度阀值至今未确定[`“],需开展进一步的研究.致谢本工作为广东省自然科学基金(编号:990537)和国土资源部环境地质开放研究实验室(K98006)资助项目.2781科带五叙第45卷增刊2。。0年3月简手及参考文献23456789lOlll2l3VOlokitaM,BelkinS,AbelioviehS,etal.BiologiealdenitriifeationsofdrinkingwaterusingnewsPaPer.WatRes,1996.30:965~971WorldHealthOrganization.Guidelinesfordrinkingwaterquality.Geneva,1984,11EECDirectiveof15July1980relatingtothequalityofwaterintendedforhumaneonsumPtion80/778/EEC.ofJEurCommun,1980,23:11一29FelekeZ,ArakiK,SakakibaraY,etal.Seleetivereduetionofnitratetonitrogengasinabio一eleetrodereactor.WatRe、,1998,32:2728一2734PayneWJ.Reduetionofnitrogenousoxidesbymieroogranisms.BaeteriolRev,1973,37:409码52KnowlesR.Denit亘ifeation.MierobialRev,1982,46:43~70HoehsteinLl,oTmlinsonGA.Theenzymesassociatedwithdenitriifeation.AnnRevMierobiol,1988,42:231~261Halling一SorensenB,jHulerH.SimutaneousnitriifeationanddenitrifieationwithanuP月owfixedbedreaetoraPPlyinge]inoPtiliteasmedia.WatTreat,1992,7:77一78KokufutaE,ShimohashiM,Nakamura1.SimultaneouslyoeeuringnitriifeationanddenitriifcationunderoxygengradientbyPolyeleetrolyteeomPlex一eojmmobilised:nitrosomonaseuroPaeaandParaeoeeusdenitrifican踌eells.BiotechBioeng,1988,31:382~384MasudaS,WatanabeY,IshiguroM.BioiflmProPertiesandsimultaneousnitriifeationanddenitrifieationinaerobierotatingbiologiealeontaetors.WatSeieTeh,1991,23:1355~1363MoriyamaK,Satok,HaradaY,etal.SimultaneousbiologiealremovalofnitrogenandPhosPhorususingoxie一anaerobie一oxicProeess.WatSeieTch,]990,22:61一66AmerieanPublieHealthAssoeiation.Standardmethodsfortheexaminationofwaterandwastewater.19thed.Wa,hington,DC,1995.1一222BoninP,GilewiezMA.Direetdemonstrationof“eo一resPiration”ofoxygenandnitrogenoxidesbyPseudomonasniutiea:somesPectralandkinetieProPertiesoftherespiratoryeomPonents.FEMSMierobiolLett,1991,80:一83一188秦麟源.废水生物处理.上海:同济大学出版社,】989.1一5RobertsonLA,KuenenJGCombinedheterotroPhienitriifeationandaerobiedenitriifeationinthiosPhaeraPanttotroPhaandotherbateria.AntonievanLeeuwenhoek,]990,57:139一152KornarosM,LyberatosG.KineticsofaerobiegrowthofadenitrifyingbaeteriumPseudomonasdenitriifeansinthePreseneeofnitratesand/ornitrites.WatRes,1998,32:1912~1922(1999一05一16收稿,2000一01一12收修改稿)4气ù1.且1162782