（环境工程专业论文）氨负荷对养殖系统硝化功能建立过程的影响及动力学研究.pdf

青岛理工大学工学硕士学位论文 摘要 氨作为养殖系统和水族箱中主要的有毒物质，已受到越来越多的重视。通过 投加硝化细菌制剂加快硝化系统建立时间，是养殖系统和水族箱水质控制的核心 技术之一。氨辛要来源于牛物排泄，残饵、粪便分解，对于不同的水产养殖系统 和水族箱，由于养殖牛物的种类、数量以及残饵和排泄物不同，导致氨负荷存在 差异。氨作为硝化细菌牛长的辛要营养物质，其浓度是制约硝化细菌增殖的主要 因素，决定硝化细菌增殖过程和组成，从而影响到硝化功能的建立过程。 本论文研究了氨负荷对硝化功能建立过程的影响，并对氨氧化过程和亚硝酸 盐氧化过程进行了动力学分析，建立了动力学方程。通过研究得到如下结论： ( 1 ) 人工投加硝化菌剂可以增加氨氧化细菌和亚硝酸盐氧化细菌的数量， 加快养殖系统硝化功能的建立，降低硝化功能建立过程中氨氮和亚硝酸盐氮的峰 值浓度。 ( 2 ) 相对于淡水养殖系统，海水养殖系统硝化功能的建立需要的时间更长。 ( 3 ) 氨负荷较低时，氨和亚硝酸盐峰值低，硝化功能建立所需时间短；随 着氨负荷升高，氨和亚硝酸盐峰值明显增加，硝化功能建立的时间也增加。 ( 4 ) 淡水养殖系统中氨氧化细菌和亚硝酸盐氧化细菌的世代时间分别为 1 0 1 d 和1 1 d 。海水养殖系统中氨氧化细菌和亚硝酸盐氧化细菌的世代时间分别 为1 1 5 d 和1 2 d 。淡水硝化细菌的世代时间比海水硝化细菌的世代时间短，氨氧 化细菌的世代时问比亚硝酸盐氧化细菌的世代时间短。 ( 5 ) 不同氨负荷条件下，基质的降解速率不同。淡水和海水养殖系统中氨 氮比降解速率分别为0 5 6 4 、0 5 0 0 、0 4 3 1 d 。和0 4 1 7 、0 3 0 7 、0 2 8 9d 一；亚硝酸 盐比降解速率分别为0 4 4 2 、0 3 4 2 、0 3 8 3d 以和0 3 2 0 、0 2 5 5 、0 2 7 5d 。 ( 6 ) 实验所得到氨氧化过程动力学方程： s n h 4 n = s on h 4 - n + 掰o t k 脚4 一( 2 邶1 - 1 ) 亚硝酸盐氧化过程动力学方程： s n 0 2 n = s on 0 2 一n + k n h 4 n ( 2 7 倒一1 ) 一k 0 2 一( 2 7 6 2 - 1 ) 关键词：硝化细菌；氨负荷；养殖系统；动力学分析； 青岛理工大学工学硕士学位论文 a b s t r a c t i nt h ea q u a c u l t u r es y s t e m sa n da q u a r i u m ，a m m o n i aa st h em a i nt o x i cs u b s t a n c e s h a sb e e nm o r ea n dm o r ea t t e n t i o n t h ew a yb ya d d i n gn i t r i f y i n gb a c t e r i aa g e n t st o a c c e l e r a t en i t r i f i c a t i o ns e t t l i n gt i m ei so n eo ft h ec o r et e c h n o l o g yo ft h es t u d ya n d c u l t i v a t i o no fa q u a r i u mw a t e rp o l l u t i o nc o n t r 0 1 a m m o n i am a i n l yf r o mt h eb i o l o g i c a l e x c r e t i o n ，b a i t ，f e c e sd e c o m p o s i t i o n s f o r d i f f e r e n ta q u a r i u m ，t h es p e c i e sa n dq u a n t i t y o fo r n a m e n t a lf i s h ，b a i ta n df i s hw a s t ea r ed i f f e r e n tl e a d i n gt od i f f e r e n c e si na m m o n i a l o a d a m m o n i aa st h em a i nn u t r i e n tf o rn i t r i f i c a t i o n b a c t e r i a l g r o w t h ，t h e c o n c e n t r a t i o ni st h em a i nf a c t o rt or e s t r i c tt h ep r o l i f e r a t i o no fn i t r i f y i n gb a c t e r i aa n d d e t e r m i n et h en u m b e ra n dc o m p o s i t i o no fn i t r i f y i n gb a c t e r i a , t h e r e b y a f f e c tt h e f u n c t i o no ft h ee s t a b l i s h m e n to fn i t r i f i c a t i o n i nt h i sp a p e r , e f f e c t so fa m m o n i al o a do nt h ep r o c e s so fn i t r i f i c a t i o nf u n c t i o n h a v eb e e ni n v e s t i g a t e d b yd y n a m i ca n a l y s i so nt h en i t r i t i f i c a t i o na n dn i t r a f i c a t i o n p r o c e s s ，e s t a b l i s ht h ed y n a m i ce q u a t i o n sc o n s i s t e n tw i t he x p e r i m e n t a l r e s u l t s t h e r e s u l t so ft h ei n v e s t i g a t i o na r ea sf o l l o w s ： ( 1 ) t h ea r t i f i c i a l a d d i t i o no fn i t r i f i c a t i o na g e n t sc a ni n c r e a s et h en u m b e ro f a m m o n i ao x i d i z i n gb a c t e r i aa n dt h en i t r i t eo x i d i z i n gb a c t e r i a , a l s oc a na c c e l e r a t et h e e s t a b l i s h m e n to fn i t r i f i c a t i o nf u n c t i o n sa n dr e d u c et h ep e a kc o n c e n t r a t i o na m m o n i a a n dn i t r i t en i t r o g e n ( 2 ) i nm a r i n ea q u a c u l t u r es y s t e m st h et i m en i t r i f c a t i o nf u n c t i o nr e q u i r e df o ri s l o n g e rt h a n i nt h ef r e s h w a t e ra q u a c u l t u r es y s t e m s ( 3 ) w h e na m m o n i al o a di sl o w , t h ep e a ko fa m m o n i a a n dn i t r i t ei sb e l o w , t h e t i m en i t r i f i c a t i o nf u n c t i o nr e q u i r e di ss h o r t ；w i t ht h ea m m o n i al o a di n c r e a s e s ，t h ep e a k o fa m m o n i aa n dn i t r i t ei n c r e a s e ds i g n i f i c a n t l y , t h et i m eo fn i t r i f i c a t i o nf u n c t i o na l s o i n c r e a s e d ( 4 ) t h eg e n e r a t i o nt i m eo fa m m o n i ao x i d i z i n gb a c t e r i a a n dn i t r i t e 。o x i d i z i n g b a c t e r i aw e r e1 0 3 da n d1 1di nf r e s h w a t e ra q u a c u l t u r es y s t e m s ，i nt h em a r i n e a q u a c u l t u r es y s t e m s 。t h eg e n e r a t i o nt i m e sw e r e 1 15 da n d1 2 d g e n e r a t i o nt i m eo f n i t r i f y i n gb a c t e r i ai nf r e s h w a t e ri s s h o r t e rt h a nt h eg e n e r a t i o nt i m ei nt h em a r i n e ， i i 青岛理工大学工学硕士学位论又 g e n e r a t i o n t i m eo fa m m o n i ao x i d i z i n gb a c t e r i a i ss h o r t e rt h a nt h et i m eo f n i t r a t e o x i d i z i n gb a c t e r i a ( 5 ) b e c a u s eo fd i f f e r e n ta m m o n i al o a d ，t h e s u b s t r a t ed e g r a d a t i o nr a t e s a r e d i f f e r e n t i nf r e s h w a t e ra n dm a r i n ea q u a c u l t u r es y s t e m s ，a m m o n i ad e g r a d a t i o nr a t e s w e r e0 5 6 4 ，0 5 0 0 ，0 4 3 1d a n d0 4 1 7 ，0 3 0 7 ，0 2 8 9d - l ；n i t r i t ed e g r a d a t i o nr a t e sw e r e 0 4 4 2 ，0 3 4 2 ，0 38 3d a n d0 3 2 0 ，0 2 5 5 ，0 2 7 5d ( 6 ) a m m o n i ao x i d a t i o nd y n a m i ce q u a t i o n ： s n h 4 n2 s on h 4 n + f k 栅4 一( 2 7 g 1 - 1 ) n i t r i t eo x i d a t i o nd y n a m i ce q u a t i o n ： s n 0 2 n = s on 0 2 n + k n m n ( 2 7 g 1 - 1 ) 一k d 2 一( 2 7 g 2 1 ) k e yw o r d s ：n i t r i f y i n gb a c t e r i a ；a m m o n i al o a d ；a q u a c u l t u r es y s t e m s ；d y n a m i c a n a l y s i s ； 青岛理工大学工学硕士学位论文 1 1 课题来源 第1 章绪论 本研究为水利部公益性行业科研专项( 2 0 0 9 0 1 0 6 3 ) 和青岛市科技计划项目 ( 0 7 2 - 3 - 1 3 - j c h ) 的部分内容。 1 2 前言 2 0 世纪8 0 年代以来，我国水产品人工养殖业得到迅猛发展，随着养殖技术 水平的提高和市场需求的扩大，养殖业已趋向集约化、高密度、高产出的养殖模 式【l 】。然而，近年来养殖水体污染问题严重制约了养殖业的健康发展。养殖水体 的污染主要包括工业废水、生活污水及农药化肥的输入性污染和养殖水体自身饵 料、残骸、排泄物和渔用肥料分解产牛的有机类污染物。这些污染物使水质恶化， 引发养殖体病害爆发。 在养殖水体中，有机污染物包括氮、碳、磷、硫四种主要物质，而后三者形 成的产物在氧气充足的条件下对鱼类的影响程度不是太大2 1 。使水质变坏的物质 主要是水体中各类有机污染物被异养菌分解后产生的氨氮、亚硝酸盐氮、高浓度 的硝酸盐及硫化氢等，其中又以分子态的氨毒性最大，其次是亚硝酸盐。氨氮、 亚硝氮胁迫可使水产动物对病原体的易感性提高，容易患疾病，死亡率升高3 1 。 因此要保证养殖水体水质，减少水产动物病害爆发，其首要问题是水体中含氮物 质的去除。 生物法去除氨氮和亚硝酸盐氮具有无毒副作用、无残留和二次污染、不产生 抗药性，能够有效地改善水体生态环境、维持牛态平衡、增强养殖对象免疫力等 优点，在养殖业中被广泛应用4 1 。硝化细菌作为转化氨氮和亚硝酸盐氮的丰要微 生物，在在养殖水体中数量低，牛长缓慢，与异养菌竞争资源能力差，需要人为 投加硝化菌剂提高水体的硝化能力。对于不同的养殖水体中，由于养殖对象不同， 投加的饵料和排泄物产牛量不同，氨负荷也存在差异。氨氮作为硝化细菌牛长繁 殖的营养物质，其浓度制约着硝化细菌的增殖过程，从而影响到硝化功能的建立。 因此，研究氨负荷对养殖系统硝化功能建立的影响不仪具有理论指导意义，还具 有实际应用价值。 1 青岛理工大学工学硕士学位论文 1 3 氮污染物在养殖系统中的危害 1 3 1 养殖水体中的氮循环 养殖水体中氮主要以三种形态存在：分子态氮( n 2 ) ，无机态氮( n h 3 、n i - 1 4 + 、 n 0 2 。、n 0 3 ) 及有机氮化合物( 尿素、氨基酸、蛋白质) 。不同形态的氮在水体 中不断地相互转化、迁移。水体中的有机氮主要由人为投加饵料和肥料产生的。 这些有机氮化合物经过异养菌的分解作用，会释放氨氮到水体中，鱼类或水生植 物的生长代谢在水体中也可以产生氨氮。部分氨氮在氨氧化细菌作用下先被氧化 为相对低毒的亚硝酸盐，然后再被亚硝酸盐氧化细菌氧化为毒性更低的硝酸盐。 硝酸盐一部分被水牛植物吸收，一部分经过反硝化作用转化为n 2 散逸到空气中 或者转化为氨氮留存于水体中。部分氨氮会挥发，当p h 9 且在午后，由于氨挥发所造成的氮的损失比生物吸收还 要大。许多不溶或难分解的含氮有机物，会随碎屑物质沉积于底泥内。 1 3 2 氨氮的来源及危害 氨氮主要来源于含氮有机物氧化分解、反硝化细菌还原、以及水生动物的代 谢产物。 氨氮在水中丰要以离子态n h 4 + 和非离子态n h 3 ( f a ) 两种形态存在，二者的 总和称为总氨氮( t a n ) 。n h 4 + 不能渗过牛物表面，因此它对生物无明显的毒害 作用。而非离子态的氨( n h 3 ) 对养殖体有较强的毒性。n h 3 极易溶解于水，在 水中生成分子复合物n h 3 h 2 0 ，一部分会解离成n h 4 + ，在水中形成如下化学平 衡： n h 3 + h 2 0hn i l 3 h 2 0h 脚4 + + o h 一 分子态氨( f a ) 在水中的比例丰要受水体温度和p h 值的影响，其关系式为： 【fa】：旦jnh：-nx10v，式中，kb、kw分别是nh3和水的电离常数。此外， 1 4k b k w 上1 0 p h 水体中盐度和溶解氧含量也是影响分子态氨与离子态氨转化的主要因素。在温度 与p h 值相同的条件下，分子态氨的含量会随着盐度或溶解氧的增高而降低。 氨是水牛植物和藻类的营养物质，同时也是鱼类和其他水生动物的毒性物 2 青岛理工大学工学硕士学位论文 质。水中氨的危害主要是分子氨产牛的，由于分子氨( n h 3 ) 能够渗进牛物体内， 将血液中血红蛋白分子的f e 2 + 氧化成为f e ”，降低血液的载氧能力，使呼吸机 能下降；分子氨可以侵袭鱼鳃表皮和肠粘膜，或者直接侵袭神经系统，使鱼类等 水牛动物的肝、肾系统遭受破坏，从而引起体表及内脏充血，严重的发生肝昏迷 以致死亡。即使是低浓度的氨，长期接触也会损害鱼类的鳃组织，出现鳃小片弯 曲、粘连或融合现象。 氨氮急性中毒有以下症状：鱼群出现挣扎、游窜现象，并时而出现下沉、侧 卧、痉挛等症状：呼吸急促，口时而大张：鳃盖部分张开，鳃丝呈紫黑色，有时 出现流血现象；鳍条舒展，基部出血；体色变浅，体表粘液增多【5 1 。 养殖水域中离子铵( n h 4 + ) 允许的最高浓度为不超过每升5 毫克氮( 5 m g n l ) ，而分：于氨( n h 3 ) 允许的最高浓度仪为每升o 1 毫克氮( o 1m g n l ) 。 我围渔业水质标准中规定分子氨浓度= 0 0 2m g l ，对鱼类生长、繁殖等牛命活动 不会产生影响。在养殖水体中分子氨浓度介于0 0 2 0 2 m g l 的，仍在鱼类可忍受 的安全范围内，一般也不会导致鱼类发病。肥水鱼塘氨氮总量正常范围认为是 o 0 5 0 1 5m g l ，超过0 3m g l 时就构成污染。超过o 5m g l 时对鱼类的毒性较 大，在高温及高密度条件下极易导致鱼类中毒、发病，甚至大批死亡。 国内外许多学者就氨氮对养殖业的危害进行研究。k a s t u r i 等【6 l 认为，池塘诸 多环境因子中氨氮与病原微牛物感染程度关系最为密切，随氨氮浓度的升高感染 程度明显增加，虾蟹死己率显著升高。 菲律宾蛤仔免疫能力随着氨氮浓度的升高而下降【7 】；较高浓度氨氮可使栉孔 扇贝细胞内外活性氧的含量明显下降，并抑制抗氧化酶的活性，并且抑制作用随 着氨氮胁迫浓度的增加，胁迫时间延长【8 1 。 中华绒螯蟹血细胞数量、血细胞吞噬能力、溶菌酶活力、酚氧化酶活力和超 氧化物歧化酶活力等逐渐下降，机体的非特异性免疫防御系统遭到损伤同时机 体清除自由基的能力下降，机体细胞和组织受到伤害甚至出现死亡【9 】。 周永欣等【l o 】研究表明，全长1 7 3g t i i 的草鱼其非离子氨的9 6 hl c 5 0 值为0 4 6 9 m g l ，全长为2 6 2c r n 的草鱼其非离子氨的9 6 hl c 5 0 值为1 3 2 5m g l ，全长为 7 0 7c i i l 的草鱼其非离子氨的9 6 hl c 5 0 值为1 3 8 6m g l 。 胡萍华【】氨氮对白斑狗鱼的2 4 、4 8 、7 2 、9 6hl c 5 0 及安全浓度分别为4 5 8 5 、 3 青岛理工大学工学硕士学位论文 3 5 2 6 、2 7 2 4 、2 4 9 2 、2 4 9m g l ，其相应的非离子氨浓度非别为0 6 1 3 、0 4 7 1 、 o 3 6 4 、o 3 3 3 、o 0 3 3m g l 。非离子氨对凡纳对虾幼虾和日本对虾幼虾9 6 hl c s o 值分别为0 4 8 和1 3 8m g l 12 1 。 1 3 3 亚硝酸盐的来源及危害 亚硝酸盐是氮素在自然界循环过程中的产物之一，亚硝酸盐氮是氨态氮转化 为硝酸盐氮过程中不稳定的中间产物，相对于氨毒害，亚硝酸盐对鱼虾的毒性较 小，但由于氨氮的转化速度较快，使得亚硝酸盐的问题最为突出。当溶氧充足时， 亚硝态氮经硝化作用可转化为无毒的硝态氮，在缺氧条件下则经反硝化作用，又 可能转化为毒性更强的氨氮。亚硝酸盐的毒性与水体理化因子关系密切，如c l 、 暴露时间和浓度、温度、p h 、种属差异、种内差异。因此，任何因素的改变都 能影响生物体内亚硝酸盐的蓄积及毒性。研究表明，亚硝酸盐的毒性随着水的硬 度和盐度的升高而降低【1 3 】。由于海水中有极高的硬度和盐度，因此，同样浓度 的n 0 2 - n ，在海水中的毒性远小于在淡水中的毒性；其他一些离子也会降低 n 0 2 一n 的毒性，如氯离子( c 1 ) ；水中d o 浓度较高时，亚硝酸盐氮易发生转 化或挥发，降低其对水生物的毒性。p h 和温度对亚硝酸盐的毒性影响较小。此 外，亚硝酸盐的存在会增强氨的毒性。 亚硝酸盐的作用机理与氨毒害相似，主要是通过生物的呼吸，由鳃丝进入血 液，与血红蛋白结合形成高铁血红蛋白，使血红蛋白丧失输氧功能，从而导致养 殖生物缺氧，甚至窒息死亡。亚硝酸盐还可与仲胺类反应成致癌性的亚硝酸胺类 物质，p h 值低时有利于亚硝酸胺形成。一般情况下，当水体中亚硝酸盐浓度达 到0 im g l ，就会对养殖牛物产生危害。 当水中亚硝酸盐浓度达到o 1m g l 时，鱼虾血红细胞数量和血红蛋白数量 逐渐减少，血液载氧能力逐渐丧失，会造成鱼虾慢性中毒。鱼虾摄食最降低，鳃 组织出现病变，呼吸困难，骚动不安。当亚硝酸盐浓度达到o 5m g l 时，鱼虾 的某些代谢器官功能失常，体力逐渐衰退，此时鱼虾很容易患病。水体诬硝酸浓 度达到l 一1 0m g l 时，病鱼的皮肤黏膜呈黄白色，甚至蓝紫色，体表黏液增多， 充血，有腹水，呼吸闲难呈昏迷状态，抽搐，血液凝固呈巧克力或酱油色，肝、 脾、肾呈紫色，严重淤血【1 引。 臧维玲1 5 】等研究指出，亚硝酸盐对罗氏沼虾z 5 、z 7 和z 9 期幼体的安全质 4 青岛理工大学工学硕士学位论文 量浓度分别为：0 6 4 、1 3 8 、1 6 8m g l ；对体长约5c m 凡纳滨对虾为5 5 5 1m g l 。 在虾蟹养殖的水环境中，亚硝酸盐氮应保持低于0 6m g l 较为安全。 李牛【1 6 】等指出，对虾养殖中亚硝酸盐氮的安全质量浓度为0 1m g l 。在 1 0 m g l 亚硝酸盐氮溶液中胁迫2d 后，血细胞浓度降低1 0 ；在4 0m g l 亚硝 酸盐氮溶液中胁迫3 h 后，血细胞浓度降低5 7 。高浓度污染因r 显著降低虾蟹 血细胞浓度。8 1 2g 的罗氏沼虾暴露于1 5 9m g l 亚硝酸盐氮溶液中1 6 8h 后， 吞噬细胞活力降低5 7 ，格氏乳球菌的清除能力降低1 5 5 0 7 】。 洪美玲研究表明，中华绒螯蟹幼体在1 0m g l 亚硝酸盐氮溶液中3h 后， 血细胞浓度较对照组高1 7 ，s o d 活力高7 0 。 1 3 4 养殖系统氮污染物的去除方法 ( 1 ) 增加水体中的溶解氧 养殖水体中溶解氧尤其是池底溶解氧充足，可使氨氮散逸到大气中，亚硝酸 盐可以氧化成毒性较小的硝酸盐。 ( 2 ) 施用强氧化剂类物质 臭氧、二氧化氯、高铁酸盐类等强氧化剂物质，溶入水中后释放出大量的原 子氧和多种氧化能力极强的活性基团，对水体有机废物具有较强的降解作用，能 够促进硝化反应、消除氨氮和亚硝酸盐氮的毒性，还具有良好的絮凝除污作用， 同时又是一类高效广谱性杀菌、除藻、消毒制剂，而且对水体不会造成二次污染。 ( 3 ) 施用微生物制剂 养殖水体环境木身就是一个由多种微牛物组成的动态平衡系统，有益菌和有 害菌共存，在环境恶劣时有害菌的作用占优势，需要向水体添加有益微生物，通 过繁殖成为优势种群来抑制有害病菌的生长，同时通过有益微生物的新陈代谢， 可降低水中过剩的营养物质和其他有害物质。通过人工投加生物活性较好的微生 物制剂，可加快有机物的氨化、硝化过程，降低氨氮和亚硝酸盐氮的浓度及危害。 利用微牛物进行养殖水体长效、安全的自我修复，其天然、无毒、无副作用、无 污染、无残留、安全可靠的优越性倍受世人的关注。 ( 4 ) 投加活化性粘土、沸石粉等物质 养殖水体n h 3 浓度过高危害严重，或出现急性氨中毒时，可以向水体撒布 粘土( 活化性的) 、沸石粉等物质。粘上矿物的胶体粒子能够吸附、凝聚固定水 s 青岛理工大学工学硕士学位论文 体的氨氮，使粒子周围的水体p h 值倾向于酸性，有一定的急救效果。同时，粘 土粒子对氨氮还有储存和缓释作用，当水体中氨氮浓度下降时，被吸附固定的氨 氮还会缓慢的释放出来。 ( 5 ) 氯离子( c i 。) 可降解亚硝酸盐的毒性【2 】 由于亚硝酸离子( n 0 2 。) 和氯离子( c i 。) 都需要通过鳃小板上的氯细胞才能进入 鱼体，n 0 2 因c i 。在氯细胞吸位点上的竞争而增加了进入鱼体的难度，从而起到 了降低亚硝酸盐毒性的作用。水体亚硝酸盐超标时，可泼洒适量的氯化钙、氯化 镁、食盐等氯化物，增加氯离子的浓度，一般情况下，当水体的氯离子浓度是亚 硝酸盐浓度6 倍时，即可以抑制亚硝酸盐对养殖生物的毒性。 1 4 硝化细菌制剂在养殖系统中的应用 1 4 1 硝化细菌的种类 硝化细菌是1 8 8 9 年由维诺格拉得斯基首先分离得到的化能自养菌，包括亚 硝化菌属( n i t r o s o m o n a s ) 和硝化杆菌属( n i t r o b a c t e r ) 两个生理亚群，它们归属于一 个独立的科硝化杆菌科( n i t r o b a e t e r a e e a e ) 。在伯杰氏细菌鉴定手册第9 版中 收录了9 个属，分别是硝化杆菌属( n i t r o b a c t e r ) 、硝化刺菌属( n i t r o s p i n a ) 、 硝化球菌属( n i t r o c o c c u s ) 、硝化螺菌属( n i t r o s p i r a ) 、亚硝化单胞菌属 ( n i t r o s o m o n a s ) 、亚硝化螺菌属( n i t r o s o s p i r a ) 、亚硝化球菌属( n i t r o s o c o c c u s ) 、 亚硝化叶菌属( n i t r o s o l o b u s ) 、亚硝化弧菌属( n i t r o s o v i b r i o ) 。 除了上述专性化能自养微牛物外，有些异养微牛物也能进行硝化作用。如恶 臭假单胞菌( p s e u d o m o n a sp u t i d a ) 、脱氮副球菌( p a r a c o c c u sd e n i t r i f i c a n s ) 、粪 产碱杆菌( a l c a l i g e n e s f a e c a l i s ) 等。这些微生物可以在低碳条件下进行硝化作用， 也可以在有机上环境中进行硝化作用。 基于1 6 sr r n a 基因序列同源性( 相似性) 的系统发育分析表明，所有的自 养氨氧化细菌( 亚硝酸细菌) 系统发育比较单一，它们均属于变形菌纲 ( p r o t e o b a c t e r i a ) 丫亚纲和8 亚纲，其中属于b 亚纲的亚硝化细菌又可以分为两 个类群：亚硝化单胞菌群( n i t r o s o m o n a s ) ，包括欧洲亚硝化单胞菌( n i t r o s o r n o n a s e u r o p a e a ) 和运动亚硝化球菌( n i t r o s o c o c c u sm o b i l i s ) ；以及亚硝化螺菌群 ( n i t r o s o s p i r a ) ，包括所有的属于亚硝化螺菌属( n i t r o s o s p i r a ) 、亚硝化弧菌属 6 青岛理工大学工学硕士学位论文 ( n i t r o s o v i b r i o ) 和亚硝化叶菌属( n i t r o s o l o b u s ) 的菌株，从进化距离看，这3 个属完全应归于1 个属。 与氨氧化细菌不同，硝酸细菌( 亚硝酸盐氧化菌) 的系统发育则要复杂许多， b o c ke 等的研究结果表明，硝酸细菌的4 个属分属于不同的4 个系统发育类型： 硝化杆菌属( n i t r o b a c t e r ) 属于变形菌纲的 r 亚纲，硝化球菌属( n i t r o c o c c u s ) 属于丫亚纲，硝化刺菌属( n i t r o s p i n a ) 属于b 亚纲、硝化螺菌属( n i t r o s p i r a ) 属于硝化螺菌门( p h y l u mn i t r o s p i r a ) 。以上这些充分说明了硝化作用微牛物在进 化上的系统发育起源的异源性。l i p s k i a 等研究了硝酸细菌( 亚硝酸盐氧化细菌) 的脂肪酸图谱，结果表明，硝化菌中各属所含的脂肪酸存在较大差异并有各自的 特征脂肪酸，所得结果与1 6 sr r n a 基因序列相似性分析的结果相吻创1 9 】。 1 4 2 硝化细菌的生物学特性 ( 1 ) 自养性。硝化细菌是一种专性化能白养菌，利用无机物质获得能量， 以c 0 2 为唯一碳源，氨氧化细菌以氨氮作为唯一氮源，亚硝酸盐氧化细菌以亚 硝酸盐氮作为唯一氮源，在体内制造糖类，对底物的要求专一性很强。 ( 2 ) 生长速度慢。因硝化细菌由自身合成糖类，这一过程需要相当长的时 间，平均代时在1 0 h 以上。 ( 3 ) 好氧生长，0 2 是最终的电子受体。 ( 4 ) 形态多样。同一牛理亚群中的种类，尽管生理学上具有共同性，但细 胞形态多种多样，如球形、杆状、螺旋状等。 ( 5 ) 二均分裂。大多数种类为无形的二均分裂，只有维氏硝化细菌为芽殖 法。 ( 6 ) 革兰氏阴性，无芽孢。 ( 7 ) 大多数具有复杂的薄膜状、囊泡状、管状膜内褶结构。 ( 8 ) d n a 中g + c 克分子百分含量范围较窄，硝化细菌的含量稍高于亚硝 化细菌。 ( 9 ) 对d o 、温度、p h 等外界因素的变化反应灵敏，易受外界环境影响。 ( 1 0 ) 在自然水体中，硝化细菌主要依附于悬浮颗粒及基质沉淀无机颗粒等 表面牛长。 ( 1 1 ) 有些属分布较广，有的则较局限。如硝化球菌和硝化刺菌属的种仪分 7 青岛理工大学工学硕士学位论文 布在海水中，而大多数属普遍地存在于中性或微碱性、通性良好、含氨态氮的上 壤中或淡水中【2 0 1 。 1 4 3 硝化细菌的作用机理 硝化细菌通过硝化作用氧化无机化合物从而获取能量来满足自身的代谢需 求，并且以c 0 2 作为唯一的碳源，是典型的化能无机营养菌。通常，把氨氧化 菌将氨氧化为亚硝酸盐和亚硝酸氧化菌把亚硝酸盐氧化成硝酸盐的牛物反应总 称为牛物硝化作用，简称为硝化作用( n i t r i f i c a t i o n ) 硝化细菌的硝化作用可以分成两个相对独立f e i 又密切联系的阶段。第一个阶 段将n h 3 氧化为n 0 2 ，这个阶段称为亚硝化作用或氨氧化作用，由亚硝化细菌 来完成；第二个阶段将n 0 2 - 氧化为n 0 3 ，由硝化细菌来完成。 具体反应过程概括如下：n h ：+ 2 0 2 堕丝马n o ；+ 2 h + 亚硝化作用阶段：n h ：+ 1 5 0 2 垄墨丝马n o i 十2 h + 硝化反应：n 0 i + o 5 0 2 型塑堕鲎坠塑堕jn o ； 1 4 4 硝化作用的生物酶 从生化水平上看硝化作用是一个极其复杂的过程，它涉及多种酶催化反应， 并伴随着复杂的物质和能量转化2 1 1 。 n h ，蝗塑骂n h ，0 h 堕堡马n o 堕墨马 n o j 型型型堡on 0 ； 催化氨转化为羟氨的酶是氨单加氧酶( a m o ) 。a m o 是膜内酶，只能催化 分子氨氧化，把0 2 中一个氧原子加到n h 3 中形成羟氨( n h 2 0 h ) 。 催化羟氨转化为亚硝酸盐的酶是羟氨氧还酶( h a o ) ，它氧化羟胺后释放2 对电子，其中一对用于n h 3 的氧化，另一对则用于合成细胞物质以及产生a t p 。 催化亚硝酸盐转化为硝酸盐的酶被称为亚硝酸氧还酶( n o r ) 。它既可以催 化亚硝酸盐氧化成硝酸盐，也可以催化硝酸盐还原成亚硝酸盐。 1 4 5 影响硝化细菌的环境因子 ( 1 ) 温度 青岛理工大学工学硕士学位论文 温度对于硝化细菌的牛长和硝化速率有着较大的影响。硝化细菌属于中温生 长菌，其最适宜的生长温度范围为2 0 3 0 。c 。当温度低于1 0 。c ，硝化细菌的生 长显著减慢，硝化作用也明显减弱。当温度高于3 5 。c ，会对硝化细菌的酶系具 有破坏作用，硝化细菌的牛命将受到潜在威胁。在1 0 , - - , 3 5 。c 之间，温度每升高 1 0 。c ，硝化细菌的硝化速率可提高3 倍。硝化细菌能承受的最高温度上限为4 0 。 少数从深海中分离的硝化细菌可耐受5 。c 以下的温度【2 2 1 ，而少数从沙漠和热泉样 品中分离的硝化细菌可耐受6 0 以上的温度。徐敏【2 3 1 等人的研究表明，在2 5 * ( 3 条 件下，海水硝化细菌的氨氮去除率最高，为5 3 3 。 ( 2 ) p h 由于硝化细菌在牛长过程中会消耗大量碱度，大约每氧化l g 氨氮要消耗碱 度7 1 4g ( c a c 0 3 计) 所以适宜生活在偏碱性的环境中。硝化细菌对p h 变化非 常敏感，因此酸碱度也是影响硝化作用的重要因子之一。其适宜的p h 值范围为 7 5 9 0 。亚硝化细菌和硝化细菌适宜的p h 值略有不同，但都不超过这个范围。 据文献报道，亚硝酸细菌的适宜牛长p h 为7 0 - 8 5 ，硝酸细菌的适宜生长p h 为6 o 7 5 。如果p h 高于9 0 或低于6 0 则会超出硝化细菌的正常生长范围，影 响硝化作用的效率。p h 值对硝化细菌只是抑制微生物的活性不会对微生物产生 毒害作用【2 4 1 。当p h 值恢复到适宜范围后，硝化速率也会迅速提高。研究表明在 p h8 5 条件下海洋硝化细菌对氨氮的去除效果最佳，去除率分别为5 6 0 ( 4 8h ) 和8 8 7 ( 7 2h ) ，当p h 低于或高于8 5 时，氨氮的去除率均有不同程度降低。 ( 3 ) 溶解氧 硝化细菌是专性好氧菌，进行正常的代谢需要溶解氧。每毫克氮素经过硝化 作用后由氨转变为硝酸根，整个过程中大约需要4 7 5m g 溶解氧来“清除”含氮 物质释放的电子。硝化反应中溶解氧浓度大于2m g l ，低于o 5m g l 硝化作用 明显减弱。溶解氧过高，会使微生物细胞受到损坏。在一般的牛物处理过程中， 溶解氧应维持在2 5m g l ，最低不能低于2m g l 。 ( 4 ) 有机物浓度 硝化细菌是自养性细菌，代谢过程不利用有机物，有机物本身并不影响硝化 细菌的性能。有机物对于硝化细菌的影响丰要是通过由它所引起的异养菌的牛长 而产牛的。异养菌在有机物存在的情况下，与硝化菌争夺溶解氧、氨等营养物质。 q 青岛理工大学工学硕士学位论又 由于硝化细菌的生长速度缓慢，因此，异养菌很容易成为环境中的优势菌，从而 不利于硝化细菌生长。 ( 5 ) 光照 光对硝化细菌活性具有抑制作用。硝化细菌的酶系在近紫外波段有一个吸收 值，在紫外线的影响下可能会产生超氧化物，所以光照对硝化细菌的影响较大。 受光照影响的亚硝化细菌应及时转移到暗区，并为其提供足量的功能物质。转移 后大约需要几个小时才能恢复。光强也可以决定表层水体中氨氧化细菌的分布和 硝化作用的水平。氨氧化细菌( 如n i t r o s o m o n a s ) 对光照的敏感性低于亚硝酸盐 氧化细菌( 如n i t r o b c t e r ) 2 s 】。 ( 6 ) 底物浓度 高浓度的分子态氨( n h 3 ) 和亚硝酸盐( n 0 2 - ) 均会对硝化反应产生抑制。 a n t h o n i s e n 等人研究表明自由氨对氨氧化菌的起始和完全抑制浓度分别为1 0 m g l 和1 5 0m g l ；自由氨对亚硝酸氧化菌的起始和完全抑制浓度分别为0 1 m g l 和1 om g l 。自由亚硝酸对氨氧化菌和亚硝酸氧化菌的起始和完全抑制分 别为0 2 2m g l 和2 8m g l 。而t u r ka n dm a v i n i c ( 1 9 8 7 ) 矛1 a b e l i n ga n ds e y f r i d ( 1 9 9 2 ) 研究得出的自由氨浓度对氨氧化菌和亚硝酸氧化菌的抑制浓度分别为5 2 0m g l 和1 5m g l t 2 7 2 8 1 。 ( 7 ) 有毒物质 因为催化硝化反应的酶内含c u ( i ) c u ( i i ) 电子对，所以只要是与酶中蛋白 质竞争c u 或者直接嵌入酶结构的有机物都会对硝化细菌产生抑制作用。对硝化 细菌产生抑制作用，如乙炔，重金属，金属螫合剂，二硫化物等。 1 4 6 硝化细菌制剂在养殖系统中的应用 养殖水体中氨和亚硝酸盐是造成水质恶化的丰要因素之一，引起养殖对象病 害频繁爆发流行。因此，改善水质、修复和维持养殖水体的微生态平衡成为防病 的关键。硝化细菌可通过硝化作用将水体中氨和亚硝酸去除，达到净化水质的作 用，已经比较广泛地应用于水产养殖中。由于硝化细菌在食物短缺等恶劣环境下， 其休眠期最长可以达到2 年之久，因此，把硝化细菌制成的菌液，可以长期保存。 硝化细菌制剂作为水质改良剂，在国内外均进入了生产性应用阶段。 国内外学者对于硝化细菌的分离提纯、富集培养以及在水产养殖中的应用进 l n 青岛理工大学工学硕士学位论文 行了大量的研究。 徐敏【2 3 】建立一种硝化细菌富集培养方法，在2 5 3 0 c ，p h7 0 8 5 ，d o2 - 6 m e r l e ，氨氮浓度1 0 0m e r l e ，载体添加量3 的条件下，经过1 6d 的培养，可以 得到硝化速率为1 0 1m g ( n h 4 + - n ) g ( m l s s ) h i 。的硝化细菌。 王玮【2 9 】等通过培养得到一种对海水氨氮具有良好去除效果的海洋硝化细菌， 其4 8 小时的氨氮去除率在7 0 以上，对海参育苗废水氨氮的去除效果最好2 4 h 去除率可达到6 9 5 6 。 李长玲3 0 1 加不同浓度的硝化细菌研究罗非鱼鱼苗培养环境的水质，研究表明 添加硝化菌剂能够显著的改善鱼苗培育环境的水质，提高罗非鱼苗的抗逆性，硝 化细菌浓度在1 0 0c f u l 时，鱼苗培育成活率相对于对照组高7 5 8 ，体长增长 2 2 1 8 ，体重增加4 6 1 5 ，显著高于对照组。 梁拥军【3 l 】的研究表明，在澳洲银鲈工厂化养殖池中施放硝化细菌，可以有效 地缓解氨态氮、亚硝酸氮积累的问题，改善养殖水环境。同时发现硝化细菌菌剂 降解氨氮和亚硝酸盐氮是有限度的，在牛产中应定时向水体中补充硝化细菌，补 充时问间隔应在7 1 0d 。 孟令剧3 2 1 结果表明硝化细菌对降低淡水水族箱中c o d 、n h 4 + - n 、n 0 2 - - n ， 效果显著，3 4 周后水体中c o d 、n h 4 + - n 、n 0 2 - - n 达到稳定水平，硝化细菌有 利于提高蓝毛足鲈等的相对牛长率，对孔雀鱼、七彩神仙鱼增色有益，实验中还 发现硝化细菌有明显预防细菌性肠炎病发生的作用。 李秋芬3 3 1 等使用氨氧化细菌、亚硝酸盐氧化细菌等优化组合成复合菌剂，并 采用游离菌和生物膜法进行了大菱鲆育苗水体的净化试验，取得了较好的净化效 果。使养殖用水能够循环利用，从而减少换水量。 h s h a n 和j p o b b a r d 等用固定化的硝化细菌处理龙虾养殖废水，获得了 理想的效果。 c s c h u s t e r 等【3 5 1 用硝化细菌处理闭合循环养殖水系统，n h 4 + - n 含量比对照 降低7 7 。 g r o m m e n 等【3 6 】利用5m g ( v s s ) 比利时产a b i l 硝化细菌制剂处理7 0 l 初 始氨氮浓度为l o m g l 的模拟养殖水体，4 d 后氨氮浓度己检测不出，并且在实验 过程中没有发现亚硝酸盐氮积累。 青岛理工大学工学硕士学位论又 p i a m s a km e n a s v e t a 等【3 7 】在红鳍东方纯循环水养殖研究中发现，在滤料情况良 好的情况下，n h 4 + - n 浓度可以保持在0 0 0 0 - 0 0 3 3 p p m 的较低水平。 硝化细菌制剂使用过程中注意的事项： ( 1 ) 由于硝化细菌是附着生长的，所以在高位池中不宜采用中间排污，这 会排走大量的硝化细菌，特别是在硝化细菌刚投放的前几天。最好在投放硝化细 菌的同时泼洒质量较好的沸石粉，加快硝化细菌的沉降。 ( 2 ) 由于硝化细菌是好氧微生物，所以在应用过程中应注意充分曝气，水 中的溶解氧应保持在5m g l 以上。 ( 3 ) 当高温季节或水质恶化时，水中的异养微生物大量繁殖会抑制硝化细 菌的增殖和硝化速率，应适当的增加硝化细菌的用量。 ( 4 ) 在同时使用不同净水剂时应注意细菌之间是否会产生抑制作用。如硝 化细菌和光合细菌在净化水质的过程中会相互抑制，降低净化效果。 ( 5 ) 避免硝化细菌和消毒杀菌药物同时使用。 1 5 硝化系统建立过程 水中氨氮主要由残饵和鱼类排泄产生，氨氧化细菌可以将水中的氨转化为亚 硝酸盐，然后再由亚硝酸盐氧化细菌转化成毒性较小的硝酸盐。 硝化系统功能的建立主要包括氨氧化过程和亚硝酸盐氧化过程。在硝化系统 建立过程中，随着系统中氨氧化细菌的增殖，水中氨浓度逐渐降低，转化为亚硝 酸盐，使亚硝酸盐浓度逐渐升高。当氨浓