（环境工程专业论文）好氧反硝化菌的异养硝化性能测定.pdf

好氧反硝化茵的异养硝化性能测定 l i i i i i i i i i i i i i i n i i i i hii iii i i y 18 1 9 13 8 w x z - 8 、w x z 一1 7 、w x z 1 9 三株菌则不能利用乙酰胺。 采用w x z 一15 为实验菌株，研究硝基氮对异养硝化作用的影响和氨氮对好氧反硝化 作用的影响。研究发现：异养硝化作用与好氧反硝化作用之间是相互促进的。异养硝化 一好氧反硝化菌为实际工程中实现同步硝化反硝化提供了可能的途径，具有工程应用价 值。 关键词：好氧反硝化；异养硝化；筛选 北京：l 商大学硕二卜学位论文 一一 a b s t r a c t t h ef o u n do fh e t e r o t r o p h i cn i t r i f c a t i o na n da e r o b i cd e n i t r i f i c a t i o nb r o k et h ec o n v e n t i o n a l t h e o r yt h a to n l ya u t o t r o p h i cn i t r i f i e r sc o n d u c tn i t r i f i c a t i o na n dd e n i t r i f i c a t i o nc a nh a p p e no n l v i na n a e r o b i cc o n d i t i o n t h e h e t e r o t r o p h i c n i t r i f i e r st h a t a l s oc o u l dc o n d u c ta e r o b i c d e n i t r i f i c a t i o nb r i n gan e wc o n c e p tt oa m m o n i u mr e m o v a ls y s t e m ，s t r e n g t h e nt h e p o s s i b i l i t yo f s i m u l t a n e o u sn i t r i f i c a t i o na n dd e n i t r i f i c a t i o n a b s t r a c t l y , a n dp r o v i d e am i c r o o r g a n i s l - n f o u n d a t i o n o u rl a bh a ss u c c e s s f u l l yi s o l a t e d 、e n r i c h e d 、s c r e e n e d 、i d e n t i f i e da e r o b i cd e n i t r i f i e r s a n d d e t e r m i n e dt h e i ra e r o b i cd e n i t i r i f i c a t i o nc h a r a c t e r i s t i c 2 4s t r a i n sh a v eb e t t e rd e n i t r i f i c a t i o n a b i l i t yi nt h ec o n d i t i o no f30 。c ，p o t a s s i u mn i t r a t ea st h en i t r o g e ns o u r c e ，d oo v e r5 01m g l b yd e t e r m i n i n gt h eh e t e r o t r o h i cn i t r i f i c a t i o na b i l i t yo f2 5a e r o b i cd e n i t r i f i e r su n d e rt h es a m e c o n d i t i o n ，15a e r o b i cd e n i t r i f i e r sw e r es e l e c t e da st h es t r a i n sc o u l dc o n d u c th e t e r o t r o p h i c n i t r i f c a t i o n a f t e r7 0h o u r s c u l t u r e ，n h 4 + - nr e m o v a le f f i c i e n c yo ft h e15t r a i n sc o u l dr e a c h m o r et h a n5 0 s e l e c to r t h o g o n a le x p e r i m e n to fl 4 ( 2 3 ) t o6a e r o b i cd e n i t r i f i e r sw h i c hb e l o n gt o d i f f e r e n t g e n u st oo p t i m i z et h e i rh e t e r o t r o p h i cn i t r i f i c a t i o na b i l i t y , a n ds t u d yo nt h ei n f e c t i o no f c o d n 、i n i t i a ln i t r o g e nc o n c e n t r a t i o na n d p h t oh e t e r o t r o p h i cn i t r i f i c a t i o na b i l i t y t h er e s u l t s h o w e dt h a tn h 4 + - nr e m o v a le f f i c i e n c yo fw x z 一9 、w x z 一15w e r eh i g h e r w h i c hw e r eo v e r 6 0 ；n h 4 + - nr e m o v a l e f f i c i e n c yo fo t h e rf o u rs t r a i n sw e r eo v e r5 0 a n a l y z i n 2t 1 1 e i n f l u e n t i a lt r e n do ft h et h r e ef a c t o r st o w a r d st h en i t r i f i c a t i o nc h a r a c t e r i s t i c s ，w ef o u n dt h a t c o d nw a st h em o s ti n f l u e n t i a lf a c t o ht h es e c o n d a r yf a c t o r sw a s p h ，t h el a s to n ew a si n i t i a l n i t r o g e nc o n c e n t r a t i o n w em e a s u r e dd r yc e l lw e i g h ta n do d 6 0 0 sc u r v ea n dt h er e l a t i o nb e t w e e nd r yc e l l w e i g h t a n db a c t e r i a ln i t r o g e nc o n t e n t t h er e s u l t ss h o w e dt h a ta l lo ft h es i xa e r o b i cd e n i t r i f i e r sc o u l d n i t r i f y i nt h ec u l t u r ec o n d i t i o no f i n i t i a ln h 4 + - nc o n c e n t r a t i o nw a s1 2 0 m g l 、c o d nw a s1 3 、 p hv a l u ew a s7 0 、3 0 。c 、t h es h a k i n gs p e e dw a s16 0r m i n ，t h ec o n t r i b u t i o no fh e t e r o t r o p h i c n i t r i f i c a t i o no f w x z 15w a so v e r5 0 a f t e rt r a c k i n gs t u d y , w ef o u n dt h a tw x z 4 、w x z 8 、w x z 17 、w x z 19g r e wf a s ti no 14 h t h eo d 6 0 0o fw x z - 15r e a c h e dt h em a xi n16 h w x z 一9g r e ws l o w l yi n0 12 h ，i t so d 6 0 0 r e a c h e dt h em a xi n4 2 h i nt h ec u l t u r ec o n d i t i o no fi n i t i a ln h 4 + n c o n c e n t r a t i o nw a s 7 4 m g l 、 c o d nw a s18 、p hv a l u ew a s7 0 、3 0 c 、t h es h a k i n gs p e e dw a s l6 0r r a i n ，t h ef a s t e s t n h 4 + - n r e m o v a lr a t eo f w x z 一1 5w a s5 9 0 1m g n h 4 + - n l 。1 h ，w h i c hw a st h eb i g g e s tv a l u eo f t h es i x t 好氧反硝化菌的异养硝化性能测定 s t r a i n s w eu s e do r g a n i cn i t r o g e ns o u r c ea c e t a m i d et os t u d yt h ea e r o b i cd e n i t r i f i e r s w ef o u n dt h a t w x z - 4 、w x z 一9 、w x z - 15c o u l da m i n a t ea c e t a m i d e ，b u tt h eo t h e r3s t r a i n sc o u l d n t t h ec h a r a c t e r i s t i c so f r e l a t i o n s h i p b e t w e e n h e t e r o t r o p h i c n i t r i f c a t i o na n da e r o b i c d e n i t r i f i c a t i o nf o rd e l f t i at s u r u h a t e n s & w a ss t u d i e d t h er e s u l ts h o w e dt h a tt h ef u n c t i o n so f h e t e r o t r o p h i cn i t r i f i c a t i o na n da e r o b i cd e n i t r i f i c a t i o nw e r ei n t e r p r o m o m t e dm u t u a l l y a e r o b i c d e n i t r i f i e r sc a nn i t r i f ya n dd e n i t r i f ys i m u l t a n e o u s l yu n d e rc e r t a i nc o n d i t i o n t h i si sa nu s e f u l c h a r a c t e r i s t i cf o re n v i r o n m e n t a le n g i n e e r i n g k e yw o r d s ：a e r o bicd e nit rific a tio n ：h e t e r o t r o p hicnit rific a tio n ： s c r e e n ：o p tim a i i v 北京一l ：商大学硕= 卜学位论文 目录 第一章绪论1 1 1 传统理论上的硝化作用与反硝化作用1 1 2 好氧反硝化作用1 1 2 1 好氧反硝化定义1 1 2 2 好氧反硝化菌及其优势2 1 2 3 好氧反硝化菌作用机理3 1 3 异养硝化作川一5 1 3 1 异养硝化定义5 1 3 2 异养硝化菌及其优势5 1 4 异养硝化作刚的影响因素6 1 4 1 碳氮比及氮负荷6 1 4 2p h 值7 1 5 典型的异养硝化一好氧反硝化菌8 1 5 1 脱氮副球菌8 1 5 2 粪产碱茵1 0 1 5 3 芽胞杆菌1 0 1 5 4 异养硝化一好氧反硝化菌的新发现11 1 6 异养硝化一好氧反硝化菌的应用1 2 1 7 本论文研究意义与内容1 2 1 7 1 本论文研究目的与意义1 2 1 7 2 本实验室前期相关研究介绍13 1 7 3 本论文研究的主要内容1 6 第二章实验材料与方法1 7 2 1 实验药品1 7 2 2 实验仪器设备1 7 2 3 菌种来源18 2 4 实验所川培养基18 2 5 分析测定方法1 9 2 5 1 常规分析测定19 2 5 2 生物量的测定21 2 5 2 1 测量步骤及标准曲线的绘制2 1 2 5 2 2 菌体干重的测定及菌体氮含量的推算2 2 2 6 好氧反硝化性能的测定方法2 4 2 7 异养硝化性能的测定方法2 4 2 8 正交实验法2 4 第三章好氧反硝化菌的硝化性能初步测定及优化2 6 3 118 株b t b 阳性菌的好氧反硝化性能研究2 6 3 2 异养硝化一好氧反硝化菌的初步筛选2 7 3 3 三因素两水平正交实验2 9 3 3 1 菌株w x z 一4 正交实验结果2 9 3 3 2 菌株w x z 一8 正交实验结果3 2 3 3 3 菌株w x z 一9 正交实验结果3 5 3 3 4 菌株w x z 一15 正交试验结果3 8 3 3 5 菌株w x z 一17 正交试验结果4 0 3 3 6 菌株w x z 一19 正交试验结果4 3 3 3 7 同化合成的氮含量的测定结果4 7 3 3 8 各因素对菌株的相对影响大小4 8 3 4 正交试验后优选条件下的跟踪研究5 0 3 5 提高c o d n 之后的硝化性能研究5 3 v 一 好氧反硝化凶的异养硝化性能测定 二二二二| - 一一 3 6 小结5 5 第四章异养硝化一好氧反硝化菌对有机氮源5 7 利用情况的研究5 7 5 1 实验菌株及有机氮源5 7 5 2 实验结果与讨论5 7 5 3 小结5 9 第五章异养硝化作用与好氧反硝化作用的关系研究6 0 6 1 实验菌株6 0 6 2 氨氮对好氧反硝化作用的影响6 0 6 3 硝基氮对异养硝化作用的影响6 3 6 4 结论6 5 第六章结论与建议6 6 7 1 结论6 6 7 2 建议6 7 参考文献6 8 附录一符号、缩略语对照表7 4 攻读硕士期间发表论文7 5 致谢7 6 v i 北京工商大学硕十学位论文 第一章绪论 1 1 传统理论上的硝化作用与反硝化作用 生物脱氮工艺以其操作简单、投资少、成本低、不易造成环境污染，除氮效果也较 好等多方面的优点，目前在国内外水处理中被广泛应用。传统生物脱氮理论认为脱氮需 要经过硝化和反硝化两个阶段。 生物硝化是由两类自养型细菌亚硝化细菌( n i t r o s o m o n a s ) 和硝化细菌 ( n i t r o b a c t e r ) ，将氨氮转化为硝态氮的生化反应过程。亚硝化细菌和硝化细菌都能利 用氧化过程释放的能量，使c 0 2 合成为细胞有机物质，因而是一类化能自养型细菌。硝 化作用反应式如下： n h 4 + + 丢0 2垩堕垡塑堕- n 0 2 一+ 2 h + + h 2 0 n 0 2 + i 10 2 竺n 0 3 。 生物反硝化则是反硝化菌在无氧的条件下，将n 0 3 和n 0 2 - 还原为气态物质排出的过 程。由于0 2 得到电子的能力要大于n 0 3 - 或n 0 2 - 得到电子的能力，因而0 2 的存在阻止了 电子传递给n 0 3 - 和n 0 2 。在有氧的条件下，反硝化菌优先使用溶解氧呼吸，氧化分解j 有 机物，从而抑制了有氧条件下反硝化的进行。反硝化作用反应途径如下： 硝酸盐还原酶亚硝酸盐还原酶n o 还原酶氧化亚氮还原酶 n 0 3 。争n 0 2 。一书n o 一争n 2 0 一争n 2 但是，近二十年来，生物脱氮理论和技术的新发展突破了传统理论的认识。许多研 究表明，不仅自养菌能完成硝化反应，某些异养菌也可以进行硝化作用【1 ；反硝化不只 在无氧条件下进行，在好氧情况下也有总氮减少的现象【2 1 。 1 2 好氧反硝化作用 1 2 1 好氧反硝化定义 最早给出好氧反硝化作用科学确证的是k m l 【3 平l l m e i b e r g 4 1 ，最早观察到好氧反硝化 现象的是r o b e r t s o n 禾h k u e n e n ，他们在实验室观察到有氧存在的条件下发生了脱氮现象， 甚至有的可以在氧浓度达到7 m l 的环境下进行【5 】。这些现象似乎证实了好氧反硝化作用 确实存在。从微生物的角度来看，好氧反硝化是指好氧反硝化菌在有氧的情况下进行反 好氧反硝化菌的异养硝化性能测定 硝化。在此需说明，好氧脱氮包括硝化脱氮和好氧反硝化脱氮两种反应，很多研究将好 氧脱氮过程统称为好氧反硝化，概念上存在混淆。而在好氧条件下硝基氮或亚硝基氮被 还原为氮的气体形式去除才是真正意义上的好氧反硝化。 1 2 2 好氧反硝化菌及其优势 上世纪8 0 年代，r o b e r t s o n 和k u e n e n 在反硝化和除硫系统出水中首次分离出好氧 反硝化菌t h i o s p h a e r ap a n t o t r o p h a ，p s e u d m o n a ss p 和a l c a l i g e n e s f a e c a l i s 等【6 】。后来， 分离出的好氧反硝化茵还有：p s e u d o m o n a sn a u t i c o l ，t h a u r e am e c h e r n i c h e n s i s ， m i c r o v i r g u l aa e r o d e n i t r i f 等。其中p a r a c o c c u sp a n t o t r o p h a ( 原t h i o s p h e r ap a n t o t r o p h a ) 被用来进行了广泛的研究。目前该株菌己被应用在处理合成肥料废水和固定化生物膜系 统中。这株菌能够达到高效、同时去除有机物和氮的目的，这是对传统的污水处理技术 的一大改进。 随后，人们从运河、池塘、土壤和活性污泥中不断分离出了好氧反硝化菌。经鉴定 表明，这些分离出来的菌种属于p r o t e o b a c t e r i a 门c 【，p ，7 纲的不同菌属( 如p s e u d o m o n a s ， r h o d o c o c c u s ，t h i o b a c i l l u s ，a l c a l i g e h e s ，m i c r o v i r g z d a 等) 。这说明好氧反硝化作用并不是 特殊的某些种属或具体的某种细菌具有的性能。它只是一种代谢途径，电就是说好氧反 硝化菌并不一定是新的菌株。在好氧条件下，能够还原硝酸盐或亚硝酸盐，产生n 2 0 或 n 2 的细菌就是好氧反硝化菌。 l o n ef r e t t e 从间歇厌氧好氧运行污水处理池的活性污泥里分离出了1 6 株反硝化细 菌【_ 7 1 。它们无论是在好氧条件还是在厌氧条件下都具有反硝化性能。l u k o w 从垃圾渗滤 液处理厂的硝化段分离得到一株好氧反硝化菌t i 。1 ，研究了不同溶解氧条件下的反硝化 速率和不同碳源对其生长的影响8 1 。 h k h u a n g 从硝化反硝化污泥中分离出好氧反硝化菌c i t r o b a c t e rd i v e r s u s 。当维持 溶解氧浓度在3 1 到3 8 m g l 时，经过4 0 h 的培养，总氮去除率可以达到9 0 8 【9 1 。 n a o k it a k a y a 等利用反硝化过程为碱增加过程，通过在培养基中加入p h 指示剂， 分离了两株好氧反硝化菌t r 2 和k 5 0 ，在溶解氧浓度分别为3 9 9 m o l l 和3 8 9 m o l l 的情 况下，2 株菌还原硝基氮为氮气的速度分别为0 9 9 m o l m i n 和o 0 3 9 m o l m i n 1 0 】。 e b r uq e l e n 从花房的土壤中筛选出5 株菌，都能在好氧条件下进行硝酸盐呼吸 1 。 张光亚等从土壤中分离出一株好氧反硝化菌，经鉴定为r h o d o c o c c u ss p ，该菌株呈革兰 氏染色阳性，为球状或杆状，菌落颜色显橙红色【1 2 】。 孔庆鑫等利用氰化钾( k c n ) 选择培养基，筛选得到一株以柠檬酸钠为碳源，硝酸钾 北京：l ：商大学硕十学位论文 为氮源，进行好氧反硝化作用的细菌【l3 1 。于爱茸分离的好氧反硝化菌在溶解氧达到2 m g l 时，脱氮率达9 7 ，溶解氧达到4 , - 5 m g l ，仍具有一定的反硝化作用，脱氮率为8 5 。 在以葡萄糖为碳源，p h 为7 0 - - - 7 5 ，温度为3 2 。c 的培养条件下，具有最佳的降解人工废 水的反硝化能力【l4 1 。马放等分离的好氧反硝化菌在不同的溶解氧条件下，当培养液中初 始的氧化态氮质量浓度为1 5 0 m g l 左右时，3 0 。c 水浴培养了2 4 h 后，氨氮去除率可达到 9 2 左右【”j 。 汪苹等人利用b t b 培养基，从实验室两个不同的s b r 反应器中共分离筛选得到3 8 株b t b 平板阳性菌 1 6 , 1 7 】。其中，1 8 株菌经好氧反硝化性能测试确定为好氧反硝化菌。 好氧反硝化性能测试结果显示：1 2 株菌4 天后硝基氮f n 0 3 - n ) 的去除率达到5 0 以上， 9 株菌4 天后总无机氮( t i n ) 的去除率达到5 0 以上。通过正交实验，对好氧反硝化菌 进行反硝化性能的条件优化，优化后有4 株菌的n 0 3 - - n 去除率均能达到1 0 0 。挑选3 株菌，对其进行n 2 0 产量的研究。结果得到，3 株菌的n 2 0 n 的产量要小于p a t u r e a ud 等从不同天然和人工构建的生态系统中筛选的典型的好氧反硝化菌【1 8 ( p s e u d o m o n a s s t u t z e r iz o b e l l 和n 叫d o m o n a sd e n i t r i f i c a n sa t t c c3 5 512 ) 。通过p c r 扩增、16 sr r n a 测序结合同源性分析，确定了各菌株之问的分类学地位，共成功鉴别1 6 株独立的菌株分 属于恶臭假单胞菌( p s e u d o m o n a s ) ，戴尔福特菌( d e l f t i a ) ，芽孢杆菌( b a c i l l u s ) ，草螺 菌( h e r b a s p i r i l l u m ) 和丛毛单胞菌( c o m a m o # 一l a s ) ，并揭示了各独立菌株与f t i ：, ? , i l 菌株之 间的同源性程度均大于9 9 以上。 好氧反硝化菌能在有氧条件下进行反硝化，使得硝化和反硝化能够同时进行，所以 与传统的细菌缺氧反硝化相比在某些环境下具有独特优势：使得硝化和反硝化能够同 时在一个反应器中进行，可以大大减少占地面积和建设资金；硝化的产物可直接作为 反硝化作用的底物，避免了硝酸、亚硝酸的积累对硝化反应的抑制，加速了硝化反硝化 进程；反硝化过程为产碱过程，可部分补偿硝化反应所消耗的碱，能使系统中p h 值 相对稳定。所以，从生物学角度对好氧反硝化菌的生长特性和脱氮性能进行研究，对指 导好氧反硝化菌在实际应用中的培养和调控，提高生物脱氮效率具有重要意义。 1 2 3 好氧反硝化菌作用机理 到目前为止，人们对于好氧反硝化作用的机理存在着不同的观点。对于好氧反硝化 菌的酶系的研究，揭示了好氧反硝化作用生物学原理。 许多研究表明，某些细菌的反硝化酶系和有氧呼吸系统可以同时存在 5 ) 18 1 ，也即0 2 与n 0 2 一和或n 0 3 一可以协同呼吸。缺少n 0 2 - 或n 0 3 - 和0 2 都会降低细菌的生长率和反硝化 3 好氧反硝化菌的异养硝化性能测定 率。 随着对好氧反硝化菌研究的深入，r o b e r t s o n 等认为，在好氧反硝化中，协同呼吸 是一个很重要的机理【5 】。协同呼吸意味着分子氧和硝酸盐被同时作为电子受体。在细胞 色素c 和细胞色素a a 3 之间的电子传输链中的“瓶颈”现象就可以被克服，因而也就允 许电子流能同时传输到反硝化酶以及分子氧中，反硝化反应就可能在好氧环境中发生。 之后，人们对好氧反硝化菌酶系的研究更有力的证明了好氧反硝化菌的存在。从反硝化 酶系角度阐释好氧反硝化现象开始于t h i o s p h a e r ap a n t o t r o p h a 的研究【l9 1 。t h i o s p h a e r a p a n t o t r o p h a 有两种不同的硝酸盐还原酶( n a r ) ，即膜内硝酸盐还原酶和周质硝酸盐还 原酶。人们将菌体分别在好氧和厌氧条件下培养，研究了这两种酶的活性。发现在厌氧 条件下，膜内硝酸盐还原酶被表达，而这种酶在好氧条件下完整的细胞里是不起作用的。 在好氧条件下，周质硝酸盐还原酶被表达，这种酶即使在很高的氧浓度下仍然可以起作 用。这两种硝酸盐还原酶的催化特征是明显不同的。周质硝酸盐还原酶是不能够使用氯 酸盐作为可选择的电子受体，而且对叠氮化物也不敏感。t h i o s p h a e r ap a n t o t r o p h a 的周 质硝酸盐还原酶的好氧表达不会依赖于是否存在硝酸盐，但是会极大的被所使用的碳源 种类影n 向。还原态的碳源( 丁酸盐或己酸盐) 越多，周质硝酸盐还原酶的活性越强【2 0 1 。 w i l s o n 等提出了细菌反硝化过程中的电子传递模型川( 图l - 1 ) 。从图1 1 中可以看出， 0 2 与n 0 3 - 和i 或n 0 2 - 均可作为电子最终受体。好氧反硝化菌不仅可将电子从电子供体传递 给0 2 ，同时也可通过硝酸盐还原酶、诬硝酸盐还原酶、n ! o 还原酶：晦电子传递给n 0 3 - , 手 ! 或n 0 2 一，实现好氧反硝化作用。 图1 1 细菌反硝化过程中的电子传递模型 北京：l ：商大学硕士学位论文 1 3 异养硝化作用 1 3 1 异养硝化定义 异养硝化现象早在1 9 世纪末和2 0 世纪初，就在土壤的硝化过程中被发现。k i l l h a m 总 结t 2 0 世纪8 0 年代中期以来有关异养硝化作用的研究进展，明确指出：虽然自养硝化作 用在自然界生物硝化过程中占主导地位，但在某些环境中，真菌、放线菌等异养菌，可 以将有机氨氮氧化为硝酸盐，这一硝化过程由异养硝化作用控制【2 2 1 。p a p e n 等提出了较 为严格的异养硝化作用的定义 2 3 】：异养微生物在好氧条件下将氨铵或是氧化态的有机态 氮氧化到羟胺，亚硝酸盐和硝酸盐的过程。根据此定义，能进行硝化作用的异养微生物 即为异养硝化菌。 与传统自养硝化作用不同，异养硝化作用的底物可以是无机态氮或有机态氮。 k u e n e n 总结出了异养硝化菌在进行硝化作用时的代谢通式 2 4 1 ，包括无机态氮硝化代谢途 径和有机态氮硝化代谢途径，分别如下： 无机态氮硝化代谢途径：n h 4 +，n h 2 0 h，n 0 2 一，n 0 3 有机态氮硝化代谢途径：r n h 2 - - r n h o hpr n o，r n 0 2卜n 0 3 1 3 2 异养硝化菌及其优势 异养硝化微生物分布广泛，土壤、污泥、湖水、深海、火山口等处发现了多种具有 硝化活性的异养硝化微生物，包括细菌、放线菌、真菌，甚至是藻类 25 1 。真菌被认为是 数量最大效率最高的异养硝化微生物【2 6 1 。 早在8 0 年代生物! 学家就发现，许多硝化菌如荧光假单胞菌，粪产碱菌，致金色假单 胞菌，铜绿假单胞菌等都可以进行异养硝化作用【5 , 2 7 , 2 8 】。此外，在实验室的培养中，细菌 也表现出了较好的异养硝化能力。k u e n e n 总结了一些常见的异养硝化菌。其中，有两株 菌( t h i o s p h a e r ap a n t o t r o p h a 和a l c a l i g e n e ss p ) 能分别以铵和肟为底物，产生亚硝酸盐， 并同时反硝化产生n 2 0 或n 2 【2 9 。张光亚从土壤中分离到一株在好氧条件下能进行同时硝 化一反硝化反应的菌株。该菌株以硝酸钠为氮源时能进行好氧反硝化作用；以乙酸钠和 硫酸铵分别为碳源和氮源能进行异养硝化作用【3 0 1 。 传统硝化细菌世代周期长，生长缓慢，对环境的变化( 如温度、p h 、有机物等) 较敏 彩3 n ，属于自养型硝化菌。相比之下，异养硝化菌生长快、产量高、需要的溶解氧浓度 较低，同时对酸性环境的耐受力赵3 2 1 。 此外，一些异养硝化微生物能够进行双重作用：在低的氧分压或者是高有机物浓度 好氧反硝化菌的异养硝化性能测定 的条件下，大多数异养硝化菌能够同时进行异养硝化作用和好氧反硝化作用 33 1 。 随着研究的深入，更多的异养硝化菌将被分离纯化出来，从而更有利于异养硝化机 理的深入研究。 1 4 异养硝化作用的影响因素 1 4 1 碳氮比及氮负荷 c o d n 对异养硝化作用具有重要的影响。v a nn i e l 指出在很多条件下可以同时存在 异养和自养硝化菌。而且当b o d n 大于6 9 时，异养硝化菌对氨的氧化会起很大的作用。 v a n n e i l 等研究了恒化器培养时，异养硝化菌( 脱氮副球菌，t h i o s p h a e r a p a n t o t r o p h a ) 和自养硝化菌( n i t r o s o m o n a se u r o p a e a ) 对氨的竞争：调节c o d n 从1 9 到l o 4 ，研究发 现较高的c o d n ( 1 0 ) 有利于脱氮副球菌的生长。在c o d n = 1 0 4 时，t h i o s p h a e r a p a 咒t d t 厂o p h 口能超过n i t r o s o m o n a s 删厂o p a e a ，获得氨，异养硝化作用明副3 4 1 。不同c o d n 比下的异养硝化与自养硝化作用的对比可见图1 2 。 李丛娜等在控制s b r 反应器保持良好的好氧状态条件下，发现进水c o d n 比值越高， 总氮去除率越高，同步硝化反硝化现象越明显【3 川。由此推断活性污泥菌胶团中异养硝化 菌和好氧反硝化菌的存在。与异养型细菌相比，自养型硝化菌的产率低，比增长速率小， 在活性污泥系统中异养菌与传统自养硝化菌竞争底物和溶解氧，使传统自养型硝化菌的 生长受到抑制【3 6 】。然而，传统的硝化理论认为，活性污泥中自养型硝化菌的比例与污水 的b o d i t k n 值有关。b o d i t k n 值越高，硝化自养型菌所占比率越小，硝化速率越低。 由于实验现象与传统的硝化理论不符，因此推断：反应器活性污泥中存在着异养硝化菌， 这样才能够使硝化速率随进水c o d n l t 值的提高反而增加。 不仅c o d n ，氮负荷对异养硝化作用也具有一定的影响。林燕等采用传统微生物学 方法和荧光原位杂交技术从m b r 系统中分离筛选出两株异养硝化细菌b a c i l l u ss p 三掰口 b r e v i b a c i l l u ss p l y 。研究表明，两株菌在充分利用有机碳进行有氧呼吸的同时还具有 较强的硝化及脱氮能力，2 天好氧培养后，c o d 的去除率分别为7 1 7 及5 2 6 ；氨氮的 转化率分别为7 8 2 及5 1 2 ：总氮的转化率分别为6 9 2 及3 5 6 【3 8 1 。何霞等研究了异养 硝化细菌b a c i l l u ss p l 啪脱氮性能，结果表明，b a c i l l u ss p l y 是1 株具有脱氮能力的异 养硝化细菌。在初始氨氮浓度分别为：4 0 、8 0 和1 2 0 m g l 的情况下，1 2 0 h 反应后，氨氮 的去除率分别是1 0 0 、8 5 7 、7 3 7 。在菌液初始浓度相同的情况下，随着氨氮浓度的 增加，细菌的硝化速率呈现下降的趋势例。 h u n g s o oj o o 等对异养硝化一好氧反硝化菌a l c a l i g e n e s f a e c a l i sn o 4 的脱氮能力进行 6 北京：r 商大学硕十学位论文 了研列4 0 1 。研究表明：在c o d n 为1 0 ，进水氨氮浓度为1 2 0 0 m l 的条件下，该菌株的最 大氨去除率为2 8 9 m g - n ( l h ) 。 白养硝化h e t e r o t r o p h i cn i t r i f i c a t i o n ：异养硝化 a s s i m i l a t i o n ：同化作用 图1 - 2 脱氮副球菌( t h i o s p h a e r a p a n t o t r o p h a ) 和臼养硝化菌( n i t r o s o m o n a se u r o p a e a ) 在不同 c o d n 下混合培养时对氨的竞争m 1 4 2p h 值 p h 值是影响硝化反应的重要因素。硝化反应要消耗碱。如果培养基中没有足够的碱 度，则随着硝化反应的进行，p h 值会急剧下降，影响菌株的活性，进而影响硝化速率。 研究表明，p h 值在7 8 之间，比较适宜异养硝化菌的生长和异养硝化反应的进行。m e v e l 等在对一株嗜热异养硝化菌( b a c i l l u s ) 进行研究时发现，该菌株的异养硝化速率与培养 基中的初始p h 值有关：当p h 值低于6 5 时，硝化速率小于0 3 0 i t m o l n 0 2 - ( m g 细胞干重) ； 当p h 值为6 5 时，菌株生长迅速，但硝化速率仅为0 2 6 p m o l n 0 2 7 ( m g 细胞干重) ；当p h 值 为7 o 7 5 时，菌体生长旺盛，硝化速率达到最大，为1 1 7 1 a m o l n 0 2 7 ( m g 细胞干重) 。王鑫 等研究了初始p h 值对三株异养硝化菌的影响。研究表明，p h 值对三株菌的影响十分相似， p h 值在7 - 8 时，氨氮去除率较高，p h 较低对菌株的硝化作用会产生抑制，最适p h 值为7 o ， 在最适p h 值下三株菌的氨氮去除率均在4 0 以上【4 。 此外，影响异养硝化作用的因素还有温度、溶解氧等。硝化反应速度受到温度的影 响，其原因在于温度对于硝化细菌的增殖速度和活性具有一定的影响。张秀玲等从消化 污泥中筛选、分离出具有硝化作用的异养菌用于校园生活污水的处理【4 2 1 。工艺采用厌氧 7 好氧反硝化菌的异养硝化性能测定 折流板反应器( a b r ) 矛i j 序批式活性污泥反应器( s b r ) 。结果表明：当a b r 停留时间5h ， s b r 曝气时间为3h ，投菌量为5 0 l ，温度为2 8 - 3 0 ，c o d c g n 4 4 时，其对n h 4 + - n 、 c o d c r 、浊度去除率分别为8 4 1 、9 4 7 、9 3 0 。刘志培等对一株异养氨氧化菌的生 长因素进行了研究。研究表明，该菌株在3 0 。c 时生长旺盛且硝化性能较强，最适p h 值为 8 0 【4 3 1 。陈赵芳等从生活污水生物脱氮除磷装置中分离到一株脱氮效果较好的异养硝化 菌株，初步探讨了不同温度、p h 值、摇床转速、碳氮比、氨氮质量浓度对该菌株脱氮作 用的影响。研究结果显示：温度为3 0 。c 、p h 值为9 0 、摇床转速为1 5 0 r m i n 、c o d n 为1 0 、 氨氮质量浓度为1 0 0 m g l 时，菌株具有最佳的脱氮效果】。溶解氧影响硝化反应速度。 r o b e r s o nl a 和k u e n e n 在对脱氮副球菌( t h i o s p h a e r ap a n t o t r o p h a ) 进行研究时发现，异 养硝化速度和好氧反硝化速度随着溶解氧浓度降低而增大，直到一个临界溶解氧浓度值 ( 约为空气中0 2 浓度的2