異養(yǎng)硝化細(xì)菌的研究進(jìn)展

異養(yǎng)硝化細(xì)菌的研究進(jìn)展

在過(guò)去的20年里，研究人員在不同的環(huán)境中分離并確定了幾種特殊菌株。這些植物可以通過(guò)有機(jī)碳源生長(zhǎng)并硝化作用。因此,人們把這類具有異養(yǎng)硝化功能的菌株統(tǒng)稱為異養(yǎng)硝化菌。而且,多數(shù)異養(yǎng)硝化菌同時(shí)還具有好氧反硝化作用,可以直接將氨氮轉(zhuǎn)化為氣態(tài)氮化合物排出系統(tǒng)。與自養(yǎng)型硝化菌比較,異養(yǎng)硝化菌的生長(zhǎng)速率快,細(xì)胞產(chǎn)量高需要的溶解氧濃度低,能耐受酸性環(huán)境且活性高并且能夠代謝各種形態(tài)的氮化合物,同時(shí)提高COD的去除率。由于異養(yǎng)硝化菌的出現(xiàn),工藝上可以實(shí)現(xiàn)在一個(gè)反應(yīng)器里完成硝化反硝化,不僅可以降低運(yùn)行成本,減少工藝上繁瑣的操作,還可以擴(kuò)大自養(yǎng)硝化菌所不能處理的水質(zhì)范圍。鑒于這些優(yōu)點(diǎn)和實(shí)用性,異養(yǎng)硝化菌日益受到人們的重視。本文就異養(yǎng)硝化菌的脫氮特性及其研究進(jìn)展和應(yīng)用現(xiàn)狀進(jìn)行概述。1異養(yǎng)硝化微生物的分布異養(yǎng)硝化現(xiàn)象很早以前就為人們所知。由于過(guò)去監(jiān)測(cè)硝化現(xiàn)象都是通過(guò)測(cè)定其硝化產(chǎn)物(硝酸鹽、亞硝酸鹽)來(lái)確定硝化作用的強(qiáng)度和有無(wú),而多數(shù)異養(yǎng)硝化微生物在硝化同時(shí)還具有反硝化作用,所以積累的硝化產(chǎn)物相對(duì)自養(yǎng)硝化菌要少。因此,人們認(rèn)為在自然界中異養(yǎng)硝化作用甚微,而自養(yǎng)硝化作用占主要地位,只有在不適合自養(yǎng)硝化菌生長(zhǎng)的環(huán)境條件下異養(yǎng)硝化微生物才可能占主導(dǎo)地位。然而,最近幾年通過(guò)優(yōu)化監(jiān)測(cè)手段,陸續(xù)有報(bào)道證明在自然界主要是土壤里的生物硝化過(guò)程中,異養(yǎng)硝化微生物同樣起著不可忽視的作用,特別是在酸性森林土壤里異養(yǎng)硝化作用占主導(dǎo)地位。近年來(lái)國(guó)內(nèi)外研究者從環(huán)境中分離出多株具有異養(yǎng)硝化功能的微生物,這些微生物不僅可以高效去除COD和氨氮,多數(shù)還具有好氧反硝化功能,且脫氮效率顯著。因此,異養(yǎng)硝化微生物受到了廣泛關(guān)注。據(jù)文獻(xiàn)報(bào)道,異養(yǎng)硝化微生物多存在于藻類、放線菌、真菌和細(xì)菌中。由于其遺傳背景的差異性,不同的異養(yǎng)硝化微生物其各自生長(zhǎng)及硝化特點(diǎn)都有所不同。在這里,將目前分離出的具代表性的一些異養(yǎng)硝化細(xì)菌的主要脫氮特性作了比較見(jiàn)表1。2氧濃度和氨濃度的反應(yīng)不同的異養(yǎng)硝化菌對(duì)于環(huán)境參數(shù)的反應(yīng)并不一致,但他們對(duì)于氧濃度,氨濃度的反應(yīng)相似?？偟膩?lái)說(shuō),影響異養(yǎng)硝化菌生長(zhǎng)硝化的主要因素有：有機(jī)碳源類型、底物濃度(碳源、氮源)、C/N、pH、溫度、溶解氧濃度和抑制劑。2.1碳源和氮源種類對(duì)菌株生長(zhǎng)和硝化反應(yīng)的影響有機(jī)碳源不僅影響著異養(yǎng)硝化菌的生長(zhǎng),也影響著它的硝化活性。因此,有機(jī)碳源的類型及濃度對(duì)異養(yǎng)硝化活性起著關(guān)鍵作用。能夠被利用來(lái)維持異養(yǎng)硝化菌生長(zhǎng)的碳源類型非常廣泛,如：丙酮肟、葡萄糖、半乳糖、乙酰胺、乙酸鹽、檸檬酸鹽、蛋白胨、牛肉膏等。然而,能夠被異養(yǎng)硝化菌利用進(jìn)行硝化反應(yīng)的碳源類型卻有所限制。如AlcaligenesfaecalisNo.4只能利用有機(jī)酸進(jìn)行硝化反應(yīng)。ArthrobacterBD只能利用有機(jī)酸鹽和α-酮戊二酸、丙酮肟進(jìn)行硝化反應(yīng)。Arthrobactersp.只有在以檸檬酸鹽、蘋果酸鹽、醋酸鹽或者乙醇作為碳源時(shí),才具有硝化活性。Otani發(fā)現(xiàn)碳源的不同大大影響了細(xì)菌的脫氮能力,如Alcaligenesfaecalis只有當(dāng)醋酸鈉或者乙醇做為碳源時(shí),才會(huì)充分去除硝酸。Hu等人分離的Acinetobactersp.和Xanthomonassp.等13株異養(yǎng)硝化菌甚至可以利用難降解物質(zhì)做為唯一碳源和氮源進(jìn)行生長(zhǎng)硝化?？偟膩?lái)說(shuō),大部分異養(yǎng)硝化菌都能利用乙酸鹽、檸檬酸鹽等有機(jī)酸物質(zhì)和牛肉膏、蛋白胨等復(fù)雜成分營(yíng)養(yǎng)物作為碳源進(jìn)行生長(zhǎng)硝化。而且對(duì)于復(fù)雜成分的培養(yǎng)基,菌株生長(zhǎng)更好。但有的異養(yǎng)硝化菌雖然在牛肉膏、蛋白胨培養(yǎng)基上生長(zhǎng)率較高,其硝化速率卻低于以單純化合物做為碳、氮源的組合培養(yǎng)基。2.2發(fā)酵不同基質(zhì)對(duì)異養(yǎng)硝化菌的脫氮活性影響底物濃度不同,異養(yǎng)硝化菌的硝化速率會(huì)有明顯不同。Mevel在保持C/N為3的條件下,把碳源(乙酸鈉)和氮源(硫酸銨)稀釋了5個(gè)梯度,發(fā)現(xiàn)底物濃度對(duì)BacillusMS30的生長(zhǎng)和硝化影響極為顯著：碳源濃度為5mmol/L～30mmol/L時(shí),硝化速率較低,在每毫克菌體干重0.65μmol～0.87μmolNO2-范圍內(nèi),且隨底物濃度的升高而下降;當(dāng)碳源濃度上升為60mmol/L時(shí),該菌的硝化速率均達(dá)到最大值(1.80μmolNO2-/mgdrywt);當(dāng)碳源濃度繼續(xù)上升為120mmol/L時(shí),其硝化速率開(kāi)始下降,為1.27μmolNO2-/mgdrywt。何霞在調(diào)查有機(jī)物濃度對(duì)Bacillussp.LY的影響中發(fā)現(xiàn),氨氮濃度為40mg/L、80mg/L、120mg/L時(shí),低有機(jī)物濃度(COD為400mg/L)會(huì)阻礙細(xì)菌脫氮性能的發(fā)揮;中有機(jī)物濃度(COD為800mg/L)會(huì)促進(jìn)細(xì)菌脫氮性能的發(fā)揮;高有機(jī)物濃度(COD為1600mg/L)下細(xì)菌脫氮性能有所降低。因此,合適的底物濃度對(duì)異養(yǎng)硝化菌的活性起關(guān)鍵作用。C/N對(duì)異養(yǎng)硝化菌的脫氮率有顯著影響。Kim將多株具異養(yǎng)硝化功能的芽孢桿菌屬的細(xì)菌在不同條件下混合培養(yǎng),發(fā)現(xiàn)在C/N為8時(shí)的氨氮去除率要明顯高于C/N為4時(shí)的氨氮去除率。AlcaligenesfaecalisOKK17在以醋酸為碳源的基質(zhì)上生長(zhǎng)時(shí),其生長(zhǎng)速率及硝化速率隨C/N的升高而增加。當(dāng)C/N為6時(shí),其生長(zhǎng)速率不再上升,硝化活性開(kāi)始受醋酸的抑制。AlcaligenesfaecalisNo.4在以醋酸鹽為碳源的情況下,COD/TN為5時(shí),由于碳源缺乏,氨氮沒(méi)能完全去除;COD/TN為20時(shí),氨氮被完全去除,COD還有部分剩余;COD/TN為10時(shí),該菌的氨氮去除率最高,并且可以同步去除COD。因此,合適的C/N不但可以提高細(xì)菌氨氮去除率,還可以同步去除COD。一般而言,異養(yǎng)硝化菌能夠處理污水的C/N范圍為2～10。相對(duì)于自養(yǎng)硝化菌,異養(yǎng)硝化菌所能耐受的pH范圍更廣。如ArthrobacterBD在pH為3～10范圍內(nèi)均能生長(zhǎng)硝化。如果基質(zhì)里因產(chǎn)生酸性代謝物質(zhì)而導(dǎo)致pH下降的情況下,該菌能夠忍受pH<3的培養(yǎng)條件。而且在C源為葡萄糖,N源為蛋白胨或醋酸胺的基質(zhì)上培養(yǎng)時(shí),盡管最初基質(zhì)的pH為3～7,培養(yǎng)后pH普遍升到8.0～9.5。AlcaligenesfaecalisNo.4在pH為6、7、8時(shí)的脫氮活性基本一致,可見(jiàn),pH對(duì)異養(yǎng)硝化菌的硝化活性影響不大。有些異養(yǎng)硝化菌最適pH同基質(zhì)類型有所關(guān)聯(lián)。如ArthrobacterBD在牛肉膏蛋白胨基質(zhì)里培養(yǎng)時(shí),pH的大小對(duì)其硝化活性無(wú)明顯影響。然而在葡萄糖-醋酸銨的基質(zhì)里培養(yǎng)時(shí),其硝化活性隨著pH的升高而升高。異養(yǎng)硝化菌的最適硝化pH與生長(zhǎng)pH條件也有差異。BacillusMS30的最適生長(zhǎng)pH為6.0～6.5,最適硝化pH為7.5～8.0。當(dāng)在最適硝化pH7.5時(shí),該菌的生長(zhǎng)率為最大生長(zhǎng)率的75%?？梢?jiàn),不同基質(zhì)培養(yǎng)條件下異養(yǎng)硝化菌的最適pH條件有所不同。且其生長(zhǎng)pH同硝化pH并不完全一致。總的來(lái)說(shuō),異養(yǎng)硝化菌普遍的最適pH范圍是在6～8之間。2.5培養(yǎng)基類型對(duì)菌株硝化活性的影響一般而言,溫度低于15°C或高于40°C,都會(huì)對(duì)異養(yǎng)硝化菌產(chǎn)生顯著影響。Alcaligenesfaecalissubsp.parafaecalis產(chǎn)生亞硝酸鹽、N2O及NO的最適溫度范圍在28°C～35°C。AlcaligenesfaecalisNo.4在30°C和37°C培養(yǎng)時(shí),該菌的氨氮去除率基本一致。在20°C培養(yǎng)時(shí),氨氮去除所需時(shí)間非常長(zhǎng),但其氨氮去除率與前兩個(gè)溫度條件下的氨氮去除率一致?？梢?jiàn),低溫條件下該菌株的硝化活性明顯下降。Acinetobactersp.YY4在溫度為20°C～40°C之間時(shí),其脫氮效果差別不明顯,當(dāng)溫度在50°C,菌株Acinetobactersp.YY4生長(zhǎng)繁殖速度明顯降低,脫氮效率也降低。異養(yǎng)硝化菌的最適硝化溫度同培養(yǎng)基質(zhì)類型有關(guān)。如AlcaligenesfaecalisOKK17在以醋酸鹽和硫酸銨為碳氮源的培養(yǎng)基上35°C培養(yǎng)時(shí)其硝化活性最大,而在以谷氨酸鹽為唯一碳氮源的培養(yǎng)基上培養(yǎng)溫度為30°C時(shí)其硝化活性最大。異養(yǎng)硝化菌的最適硝化溫度同最適生長(zhǎng)溫度也有區(qū)別。如嗜熱異養(yǎng)硝化菌BacillusMS30的最適生長(zhǎng)溫度為55°C～60°C之間,最適硝化溫度為65°C,在此溫度下的生長(zhǎng)速率為最大生長(zhǎng)率的75%。對(duì)于一般的異養(yǎng)硝化菌,其最適培養(yǎng)溫度在28°C～37°C范圍內(nèi)。2.6溶解氧預(yù)處理對(duì)異養(yǎng)硝化菌的影響相對(duì)于自養(yǎng)硝化菌,異養(yǎng)硝化菌能夠耐受更低的溶解氧濃度。Thiosphaerapantotropha和亞硝化單胞菌屬(Nitrosomonaseuropaea)混合培養(yǎng)時(shí),在低溶氧和高C/N下Thiosphaerapantotropha能夠成功將Nitrosomonaseuropaea競(jìng)爭(zhēng)出系統(tǒng)。異養(yǎng)硝化菌PseudonocardiaammonioxydansH9與活性污泥一起在DO為0.5mg/L～1.5mg/L的條件下處理合成污水(COD為1000mg/L～3000mg/L,氨氮為120mg/L),獲得較好的氨氮去除率(氨氮去除率>80%)。可見(jiàn),DO對(duì)異養(yǎng)硝化菌的硝化活性影響不大。Robertson認(rèn)為不同異養(yǎng)硝化菌的反硝化系統(tǒng)受溶解氧濃度抑制的閾值不同。Patureau比較了在不同DO下具好氧反硝化功能的聚生菌和微病毒科細(xì)菌(Microvirgulaaerodenitrificans)的脫氮能力。發(fā)現(xiàn)當(dāng)DO高于一個(gè)閾值(聚生菌的DO閾值為0.35mg/L,Microvirgulaaerodenitrificans的DO閾值為4.5mg/L)時(shí),反硝化能力不受影響。而在閾值以內(nèi),DO越低,反硝化活性越強(qiáng)。溶解氧濃度也會(huì)影響異養(yǎng)硝化菌的主要反硝化產(chǎn)物類型。如Thiosphaerapantotropha在低DO下,產(chǎn)N2和N2O。隨著DO提高,反硝化產(chǎn)物中的N2O比例增大,到DO為空氣飽和度的95%時(shí),其反硝化產(chǎn)物全是N2O。由此可見(jiàn),異養(yǎng)硝化菌的硝化活性受溶解氧濃度影響較小,但其反硝化活性及產(chǎn)物類型卻跟溶解氧濃度緊密關(guān)聯(lián)。2.7聚硫胺系及硫代硫酸鹽a和pseudomra-很多自養(yǎng)硝化菌抑制劑同樣可以抑制異養(yǎng)硝化菌,如氯定、烯丙基硫、乙炔、金屬螯合物、疊氮化合物等。但有的抑制劑作用于異養(yǎng)硝化菌的濃度相對(duì)于自養(yǎng)硝化菌有所不同。乙炔在低分壓(10Pa)下就可以抑制自養(yǎng)氨氧化細(xì)菌。而對(duì)異養(yǎng)硝化菌,需要更高的乙炔濃度才能抑制其氨氧化。Daum等人利用5%的乙炔處理用γ-氨基丁酸鹽(γ-aminobutyrate)培養(yǎng)的Pseudomonasputida后,發(fā)現(xiàn)該菌不再生成羥胺、亞硝酸鹽、硝酸鹽、NO等物質(zhì)。不同異養(yǎng)硝化菌,其受抑制的程度有所不同。疊氮化合物能夠抑制Paracoccusdenitrificans的硝化活性,但對(duì)Thiosphaerapantotropha的影響較小。Robertson等人發(fā)現(xiàn)硫代硫酸鹽只能短暫抑制Thiosphaerapantotropha和Pseudomonasdenitrificans的硝化活性。長(zhǎng)期使用硫代硫酸鹽后,這兩株異養(yǎng)硝化菌均會(huì)誘導(dǎo)出一條降解硫代硫酸鹽的代謝途徑?？梢?jiàn),相對(duì)于自養(yǎng)硝化菌,異養(yǎng)硝化菌對(duì)抑制劑的耐受性更強(qiáng),而且在抑制劑長(zhǎng)期作用下可產(chǎn)生新的代謝途徑降解抑制劑。3異硝化菌的應(yīng)用3.1低氨氮人工感染廢水目前,對(duì)于異養(yǎng)硝化菌的應(yīng)用研究還停留在實(shí)驗(yàn)室規(guī)模的小試階段。楊宗政在搖床培養(yǎng)條件下利用異養(yǎng)硝化菌強(qiáng)化活性污泥分別處理以氨氮(105mg/L)、亞硝酸鹽氮(95mg/L)、硝酸鹽氮(69mg/L)為惟一氮源,葡萄糖為碳源(COD為1100mg/L)的人工合成廢水,4h的總氮去除率分別為85%、60%、70%。林燕等人利用具異養(yǎng)硝化功能的芽孢菌結(jié)合MBR反應(yīng)器處理低氨氮人工合成廢水(COD為250mg/L～750mg/L,總氮為45mg/L～50mg/L)。當(dāng)COD/TKN15時(shí),MBR反應(yīng)器的總氮去除率可達(dá)90.6%。Gupta利用實(shí)驗(yàn)室規(guī)模的旋轉(zhuǎn)生物接觸氧化池(rotatingbiologicalcontactor)結(jié)合Thiosphaerapantotropha處理COD為1000mg/L,氨氮為22mg/L的合成污水,其總氮去除率可達(dá)82.5%。Ahmad等人將異養(yǎng)硝化菌PseudonocardiaammonioxydansH9與活性污泥一起投入兩個(gè)氣升式反應(yīng)器(Air-LiftBioreactor)中利用人工合成污水(COD為0mg/L～3000mg/L,氨氮為120mg/L)運(yùn)行,反應(yīng)器運(yùn)行條件一致。隨著C/N提高,系統(tǒng)的總氮去除率有較大提高(70%～80%)。而在C/N低于4時(shí),COD和氨氮去除率均處于較低水平(<60%)。3.2異養(yǎng)硝化菌的去除效果陳趙芳在搖床培養(yǎng)條件下用一株異養(yǎng)硝化菌株Acinetobactersp.YY4對(duì)宜興生活污水(COD為531.95mg/L,氨氮為61.11mg/L)和南京某化工廠廢水(COD為875.72mg/L,氨氮為221.01mg/L)氨氮脫除效果的結(jié)果顯示,在補(bǔ)加維氏鹽溶液和12.4g/L的琥珀酸鈉后去除率分別為89.54%(9h)和95.79%(36h)。Jo