水体中的氮污染

水体中的氮污染

脱氮微生物在处理废水中发挥着重要作用。污水中的含氮有机物经过异养菌的氨化作用转变为氨氮,再经过硝化菌的硝化作用转变为亚硝酸盐氮和硝酸盐氮,之后经过反硝化微生物的作用将亚硝酸盐氮或硝酸盐氮还原为NO、N2O,最终转变为N2,排入到大气,从而降低污染水中含氮污染物的浓度。反硝化微生物的作用在污水脱氮中占较重要地位,因此,有必要对其进行深入研究。本文综述了反硝化微生物的研究及应用进展。1微生物污染特性水体中的氮浓度超过了水体自净能力,达到破坏水原有用途的程度,形成了水体氮污染。目前,水体的氮污染普遍存在于养殖水体、地下水及江河湖海等中。农药化肥等流失产生的废水、养殖废水、居民生活污水及工业废水均会引起水体的氮污染。反硝化过程广泛发生在自然界的各种环境中,如河流、湖泊、水库、海洋、底泥沉积物、土壤等。反硝化微生物可降低污染水体中的含氮污染物浓度,削减因硝酸盐或亚硝酸盐的积累对生物的毒害作用,减少富营养化的发生机率,对于水质保护有重要意义。由于各种生态区域环境条件不同,其反硝化微生物种类、反硝化速率及影响其生长的主要因素也不同。2反硝化细菌的主要种类反硝化细菌的种类很多,大约有50多个属,130多个种。自然界最普遍的反硝化细菌有假单胞菌属(Pseudomonaceae)、产碱杆菌属(Alcaligenes),还有科奈瑟菌科(Neisseriaceae)、硝化细菌科(Nitrobacteraceae)、红螺菌科(Rhodospirillaceae)、芽孢杆菌科(Bacillaceae)、纤维粘菌科(Cytophagaceae)、螺菌科(Spirillaceaee)、根瘤菌科(Rhizobiaceae)、盐杆菌科(Halobacteriaceae)等。反硝化细菌的能源谱较广,化学能(包括有机物质和无机物质)和光能均可。其中有机物质是自然界一些优势反硝化菌群的主要能源,在厌氧条件下进行反硝化作用。一些研究发现反硝化过程也广泛存在于真菌的半知菌纲、子囊菌纲和担子菌纲,如镰刀菌(Fusarium)、玉蜀黍赤霉(Gibberella)、木霉(Trichoderma)、光泽柱孢菌(Cylindrocarpon)、毛壳菌(Chaetomium)、青霉属(Penicillium)、曲菌(Aspergillus)和汉逊酵母属(Hansenula)及酵母菌。研究表明很多放线菌包括链霉菌属(Streptomyces)和弗兰克氏菌属(Frankia)等也具有反硝化能力。近些年来,倍受关注和研究较多的主要有以下几类。2.1微生物的活性传统理论认为,细菌的反硝化是一个严格的厌氧过程。氧气存在时,兼氧的反硝化细菌优先使用溶氧呼吸,阻止了硝酸盐或亚硝酸盐作为最终电子受体。然而近二三十年来,发现在好氧条件下也存在反硝化作用,突破了传统理论。Robertson和Kuenen最早提出好氧反硝化(aerobicdenitrification)理论,他们在实验室里观察到在有氧条件下发生了反硝化现象。20世纪80年代,Robertson等报道了好氧反硝化细菌和好氧反硝化酶系的存在,证实了泛硫球菌Thiosphaerapantotropha(现更名为脱氮副球菌Paracoccusdenitrifications)在生长过程中,O2和NO3-共同存在时,其生长速率比两者单独存在时都高。目前,已报道的好氧反硝化微生物有芽孢菌属(bacillus)、产碱菌属(Alcaligenes)、副球菌属(Paracoccus)、克雷伯菌属(Klebsiella)、苍白杆菌属(Ochrobactrum)、动胶菌属(Zoogloea)、假单胞菌属(Pseudomonas)、生丝微菌属(HyphomicrobiumX)、土壤杆菌属(Agrobacterium)、黄杆菌属(Eubacterium)、丙酸杆菌属(Propionibacterium)、芽生杆菌属(Blastobacter)、盐杆菌属(Halobacterium)和根瘤菌属(Rhizobium)等。近些年来人们不断地在实际工程中发现好氧条件下的脱氮现象,如Pochana在SBR反应器中观察到了95%的总氮去除率。Frette等从间歇厌氧/好氧污水处理池中分离出16株反硝化细菌,它们无论是在好氧条件还是在厌氧条件下都具有反硝化作用。目前发现一些其它细菌也有好氧反硝化作用。2004年,张亚光等发现红球菌属(Rhodococcus)也存在好氧反硝化现象;新菌株嗜热芽寡养单胞菌(Stenotrophomonasmaltophilia),在氧气存在的情况下,亚硝酸盐去除活性较高,10h内由26.18mg/L降至0。目前,越来越多的研究证明细菌好氧反硝化的存在,并发现了一些具有较高反硝化效率的细菌。见表1。好氧反硝化微生物具有一些优势:它可以使硝化和反硝化作用同时进行,硝化的产物可直接作为反硝化的底物,避免了硝酸盐和亚硝酸盐的积累对反硝化作用的抑制,加速了硝化-反硝化的进程,且反硝化释放的碱可以部分补偿硝化反应所消耗的碱,能使系统中的pH值相对稳定;好氧反硝化菌(多为异养硝化菌)可将氮在好氧条件下直接转化为气态产物,且反应可由单一反应器一步完成,降低了操作难度和运行成本;大部分反硝化菌能适应厌氧(或缺氧)周期变化,在有氧、缺氧交替时具有生态生长优势;其生长速度快,产量高,要求的溶解氧浓度低,能在偏酸性环境中生长;好氧反硝化菌的分布较为广泛,可从不同的环境中,如土壤、池塘、沟渠以及活性污泥中分离得到。由于好氧反硝化细菌在环境中的特殊意义,对其研究受到广泛关注。2.2其他微生物碳源近些年来发现一些自养细菌能够利用一些无机物(CO2,HCO3-)在氧化过程中释放出来的能量将硝酸盐还原,进行反硝化作用,这类细菌称为自养反硝化细菌,如脱氮硫杆菌(Thiobacillusdenitrificans)、反硝化硫微螺菌(Thiomicrospiradenitrificans)、亚硝化单胞菌属(Nitrosomonas)、布兰汉氏菌属(Branhamellacatarrhalis)、奈氏球菌属(Gemisoceanospirllum),得到广泛的应用。Vidal通过平行对比实验得出自养反硝化脱氨氮的速率是异养反硝化的两倍,在异养反硝化的反应器中投加甲醇作为碳源后其脱氨氮的速率才与自养反硝化的相当。Koenig等研究反硝化泛硫球菌的自养反硝化过程,发现在氧化单质硫为硫酸盐的同时还生成氮气,并产生菌体代谢所需要的有机碳源。Sliekers等研究表明添加额外的碳源对于实现自养反硝化产生氮气没有必要。自养反硝化更适合低C/N的水体。自养反硝化与异养反硝化相比有两大优点:自养反硝化不需要投加有机物作为碳源,降低污水处理的成本;只产生极少量的污泥,可使污泥的处理量降低到最低。因此,自养反硝化细菌在污水脱氮中具有重要的意义。2.3反硝化除磷废水处理技术反硝化聚磷菌(DenitrifyingPhosphateAccumulatingOrganisms,DNPAOs)能在缺氧条件下,以硝酸盐为电子受体,同步完成反硝化(脱氮)和过量吸磷(除磷)过程,是反硝化除磷废水处理技术的有效菌。反硝化脱磷具有不需要碳源,吸磷时不需曝气,不需要厌氧和好氧的相互交替,且排泥量少等优点。近年来,反硝化除磷技术成为废水生物处理技术领域的研究热点。2006年,王春丽等采用吸磷、硝酸盐还原产气实验及异染颗粒和PHB颗粒染色辅助检验组合的筛选方法,筛选出高效反硝化聚磷菌H6、H19、H24和Xg。经鉴定,前三者属于假单胞菌属(Pseudomonas),后者属于肠杆菌属(Enterobacter)。2.4异养硝化菌的检测某些反硝化菌也同时具有硝化作用,如荧光假单胞菌(Pseudomonasfluorescens)、铜绿假单菌(Pseudomonasaeruginosa)、粪产碱菌(Alcaligenesfacecalis)、致黄色假单胞菌(Pseudomonasaureofaciens)、铜绿假单胞菌(Pseudomonasaeruginosa)等都可以进行异养硝化。AnshumanA.等从污水处理厂活性污泥中分离得到8株Diaphorobacte属的菌株均具有同时硝化反硝化作用。2.5嗜盐反硝化细菌pseudomras某些反硝化作用微生物在特殊环境下,如低温、高盐等条件下也能够起作用。王春丽等分离筛选出在低温下(8℃)仍具有高效能的一株反硝化聚磷菌H16,经鉴定属于假单胞菌(Pseudomonas)。嗜盐反硝化细菌的种类较少,主要包括古细菌中的盐盒菌属(Haloarcula)、盐杆菌属(Halobacterium)、富盐菌属(Haloferax)、细菌中的盐单胞菌属(Halomonas)及芽孢菌属(Bacillus)等几个属的某些种。不同种类反硝化微生物具有不同特性,在环境中各有优点,对其特有的功能进行深入研究有着重要意义。3菌株对硝酸盐脱氮效果的影响20世纪80年代中期以来,人们分离出了一些反硝化作用微生物。表1列举了一些典型和新发现的反硝化菌及其脱氮效果。表1中菌株对于硝酸盐氮或亚硝酸盐氮浓度均有降低作用。由于菌株本身脱氮能力不同,初始物形式、初始浓度和脱氮条件也不同,因此,脱氮的效率也存在差异,而且很难比较菌株脱氮效率的高低,但表1可作为菌株筛选的参考。4antotropho催化的no3-、no2-、no、no活性及金属酶系统反硝化作用是反硝化微生物利用一系列酶将硝酸盐氮或亚硝酸盐氮还原成N2O或N2的过程。T.pantotropho的电子传递蛋白能在有氧条件下以此催化还原NO3-、NO2-、NO、N2O生成N2,这一报道引起了众多研究者的关注。人们纷纷对好氧反硝化细菌的各种反硝化酶进行研究,其过程分别由硝酸还原酶、亚硝酸还原酶、一氧化氮还原酶和一氧化二氮还原酶催化完成。见表2。5dea与反硝化速率反硝化作用能力较为常用的衡量指标是反硝化势(DP,DenitrificationPotential)和反硝化酶活性(DEA,DenitrifyingEnzymeActivity),通过它们来衡量微生物和包含反硝化微生物的环境如土壤、水域、底泥等的反硝化能力。DP是指反硝化微生物(或含有反硝化微生物的样品)在一定时间内产生的反硝化产物(N2O和N2)的多少。它实际上反映的是样品中能够进行反硝化作用微生物的多少,可用来衡量进行反硝化作用的潜在能力或样品可能具有最大的反硝化速率。DEA是测定样品中反硝化酶活性大小的指标,通过测定反硝化产物的生成速率来确定反硝化酶活。为防止微生物的生长,往往采用加入氯霉素的方法来抑制微生物的生长(氯霉素不抑制微生物的反硝化酶活性)。二者在方法上的主要区别在于时间的长短。DP测定时间较长,测定数小时到几十小时内反硝化产物的生成,因此需要添加较多的碳源来维持硝酸的还原。而DEA测定则仅在几十分钟至数个小时内进行,测定的主要目的是样品现时状态下的反硝化能力,不需要添加太多碳源。目前为止已经建立了多种测定反硝化速率的方法。主要包括:(1)C2H2抑制法。C2H2抑制法是通过添加C2H2抑制N2O进一步还原为N2,通过测定N2O的累积量来计算反硝化速率。这种方法的特点是简便、灵敏、成本低。但是这种方法也存在着一些缺点,它在NO3-浓度低的情况下,C2H2对N2O还原为N2的抑制作用是不完全的,并且硫化物的存在会削弱C2H2的抑制作用;而且,C2H2抑制法计算出来的反硝化速率也忽视了耦合硝化/反硝化作用,因此反硝化速率的计算结果会偏低;(2)N2产量测定法。此法的优点是测定的反硝化速率中包括了耦合硝化/反硝化作用。其缺点是反硝化作用产生的N2量很少(相对于来自大气环境中的N2),这会对反硝化速率的测定产生很大的干扰;(3)15N同位素示踪技术(IPT),15N同位素能够同时测定硝化作用、NO3-异化还原为NH4+的作用、N矿化及来自水体和沉积物的反硝化作用,但是这种方法必须满足四个条件:加入的15NO3-必须和水体及沉积物中14NO3-混合均匀,加入的15NO3-不能改变实际反硝化速率,加入的同位素的量可以忽略,14NO3和15NO3-扩散速率相同。如果实际情况和这四个条件不相符测定的反硝化速率会存在偏差;(4)膜直接进样技术(MIMS);(5)15N-NO3-稀释法;(6)NO3-消耗量测定法;(7)N质量平衡法(根据氮输入和输出之间的差值预测脱氮速率);(8)孔隙水剖面的成岩模式法;(9)微电极法(O2/N2O微电极与乙炔抑制剂的连用或硝酸盐微电极测定)。在以上这些方法中,C2H2抑制方法和同位素示踪技术是比较常用的方法。6环境微生物研究据统计,目前人们能够培养的微生物不足环境微生物总量的3%。近些年来,分子生物学和现代生物技术的迅速发展推动着环境微生物学的发展,人们逐渐通过分子生态学技术深入研究环境微生物。如RFLP技术用于研究环境反硝化微生物多样性;用DGGE技术研究反硝化微生物nirK、nirS、nosZ基因多样性;反转录PCR及定量PCR技术研究环境反硝化微生物的数量,GC-FAME、FISH及16SrRNA等技术也均被用于反硝化微生物遗传多样性研究。7污水中反硝化微生物的应用展望工业废水、生活污水的排放及农业面源污染等原因造成的水体污染,引起了地下水物质含量超标和地表水的富营养化等现象。其中,氮的污染已成为人们倍受关注的问题,生物脱氮也成为人们研究和应用的热点。反硝化作用是生物脱氮过程的关键一步。因此,对反硝化微生物进行深入研究有着重要的意义。笔者认为关于反硝化微生物的研究,还有一些问题有待进一步解决:(1)在理论上,仍需深入研究反硝化聚磷菌的脱氮除磷机理及相关酶的机制,并深入探讨其用于实际处理富含氮磷污水的新工艺。(2)大