（环境工程专业论文）n2o的生物控逸及好氧反硝化菌的反硝化性能研究.pdf

n ! o 的生物控逸及女r 氧反硝化凶的反硝化性z i j 匕, e , 彬- f 究 a b s t r a c t f r o m2 0c e n t u r y5 0d e c a d et on o w , a e r o b i cd e n i t r i f i c a t i o nw a sr e p o r t e dc o n s t a n t l y , a n d a e r o b i cd e n i t r i f i c a t i o ng r a d u a l l yn o t i c e db yt h ew h o l ew o r l da sn e wn i t r o g e nr e m o v a lt h e o r y n o to n l yb r i n gf o r w a r dc o r r e s p o n dt h e o r y , s o m ea e r o b i cd e n i t r i f i e rw a s i s o l a t e d t h e i r s p e r f o r m a n c ea n dm o l e c u l ec h a r a c t e rw a s s t u d i e du l t e r i o r l y h o w e v e r , t h ep r e v i o u sr e p o r t sd i d n o ta d d r e s st h ee f f e c to f0 2o ro t h e rf a c t o r so nt h er e d u c t i o no fn 2 0 t on 2 t h ef o r m e r e x p e r i m e n t sh a v ea c c o m p l i s h e dt h ea c c l i m a t i o no fa e r o t o l e r a n tn i t r o g e nr e m o v a ls l u d g e ，f r o m w h i c hw ei s o l a t e d18a e r o b i cd e n i t r i f i e r s b a s e do ni tw es t u d y i n gt h eo p t i m u ma e r o b i c d e n i t r i f y i n gc o n d i t i o n so f t h e s eb a c t e r i a ，a n dr e s e a r c ho nt h eb e s tc o n t r o lo fn 2 0 r e s u l t s i n d i c a t e dt h a tt h e yp o t e n t i a l l yc o u l db eu s e dt oc o n s t r u c ta na e r o b i cd e n i t r i f y i n gs y s t e mw h i c h e m i t sl o wl e v e l so fn 2 0 o r t h o g o n a le x p e r i m e n t sw e r ea d o p t e d t oe v a l u a t et h ed e n i t r i f y i n ga c t i v i t i e so f6a e r o b i c d e n i t r i f i e r ，t h e ya r ew x z 1 、2 、4 、5 、6 、7s e p a r a t e l y f o u rf a c t o r s ( a n dl e v e l s ) a r ec a r b o n s o u r c e ( s o d i u mc i t r a t e 、s o d i u ma m b e r a n ds o d i u ma c e t i ca c i d ) 、c o d n ( 6 、1 0a n d1 5 ) 、d o ( 2 4 4 6 s a t u r a t i o nd i s s o l v eo x y g e n 、5 5 - 7 4 s a t u r a t i o nd i s s o l v eo x y g e na n d7 9 9 5 s a t u r a t i o n d i s s o l v eo x y g e n ) a n dp h ( 6 5 、7 0a n d7 5 ) e a c he x p e r i m e n tc y c l e sf o u rd a y s t h er e s u l t ss h o w e d t h a t ，c a r b o ns o u r c ea n dc o d na r e t h eu p p e r m o s te f f e c t i n g f o c t o r st ot h e s eb a c t e r i a ，a n dt h eb e s t n i t r a t er e d u c t i o nr a t eo fw x z 1 、2 、4 、5a l lr e a c h e d1 0 0 w h a t sm o r e ，s t r a i nw x z 一2 c a n r e m o v ea l ln 0 3 - ni n1 6h o u r sa n dt h er e d u c t i o na m o u n ti s1 3 1 4 8m g u l , w h i c hw a sh i g h e rt h a n t h ed a t ao fm i c r o v i r g u l aa e r o d e n i t r i f i c a n s 1 0 8m g n3 - n l - 1 d 一 d e s i g nt h eo r t h o g o n a le x p e r i m e n to ft h r e ef a c t o r sa n dt w ol e v e l sl 4 ( 2 j ) f o ra ne f f i c i e n c y a e r o b i cd e n i t r i f i e rw x z 2o nt h er e s e a r c ho ft h eb e s tc o n t r o lo fn 2 0 ，w h i c hw x z - 2w a s c u l t u r e di nt h ef e r m e n t a t i o np o t t h e r ef a c t o r s ( a n dl e v e l s ) a r ec o d n ( 1 0 、1 5 ) 、d o ( 3 0 s a t u r a t i o nd i s s o l v eo x y g e n 、5 0 s a t u r a t i o nd i s s o l v eo x y g e n ) a n dp h ( 6 5 、7 5 ) t h e r e s u i t ss h o w e dt h a t ，c o d ni st h eu p p e r m o s te f f e c t i n gf o c t o r st ot h i sb a c t e r i a ，t h e ni sd o a n d p h u n d e rt h eb e s tc o n d i t i o n ，c a r b o ns o u r c e i ss o d i u mc i t r a t e ，c o d ni s 15 ，d oi s 3 0 s a t u r a t i o nd i s s o l v eo x y g e na n dp hi s7 5 ，t h et o t a ln 2 0p r o d u c t i o ni s0 2 0 1 0m g ，w h i c h t a k e s00 4 o ft h er e m o v e dt l n k e yw o r d s ：n 2 0 ：b i0io gic aic o n t r oi ：a e r o b icd e nit r fie r s = _ = ! _ j 匕京i + 商人学硕。卜学位论文 目录 第一章引言1 1 1 新型废水生物脱氮的微生物学研究进腮1 1 2 好氧反硝化菌的作川机理及影响冈素3 1 2 1 好氧反硝化菌的作用机理研完一3 1 2 2 好氧反硝化菌的影响因素研究4 1 3 好氧反硝化菌的分离筛选现状5 1 3 1 分离筛选方法5 1 3 2 分离筛选现状7 1 4n 2 0 的源与汇8 1 5n 2 0 控逸技术发展趋势1 0 1 5 1 直接分解催化剂的研究1 0 1 5 2 工艺控逸研究1 1 1 5 3 生物控逸研究1 2 1 6 本论文研究基础1 2 1 7 本论文研究的目的和意义1 5 1 8 本论文的主要研究内容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 8 2 3 分析测定方法1 9 2 3 1 液体样品分析测定方法1 9 2 3 2 气体样品分析测定方法2 0 2 4 实验所用培养基2 1 2 5 实验所用发酵罐2 1 2 6 正交实验设计2 3 2 6 1 l 必3 。) 正交实验设计2 3 2 6 2l 4 ( 2 3 ) 正交实验设计2 3 第三章纯菌株的好氧反硝化性能培养条件优选。2 5 3 1 菌株w x z - 1 正交实验结果及分析2 5 3 2 菌株w x z 2 正交实验结果及分析3 0 3 3 菌株w x z - 4 止交实验结果及分析3 5 3 4 菌株w x z - 5 正交实验结果及分析3 9 3 5 菌株w x z 6 正交实验结果及分析4 3 3 6 菌株w x z 7 正交实验结果及分析4 6 3 7 各菌株好氧反硝化性能对比分析5 0 3 8 ，j 、结一5 2 第四章菌株w x z 2 产生低水平n 2 0 培养条件的优选5 4 4 1 菌株w x z 一2n 2 0 生物控逸正交实验结果及分析一5 4 4 2 各实验条件_ 卜菌株w x z - 2 的n 2 0 n 气体产量对比分析5 9 4 3 ，j 、结6 0 第五章结论与建议。6 1 5 1 结论6 1 5 2 建议6 2 参考文献。6 3 附录一正交实验数据表。6 8 附录二菌株w x z 2 的n 2 0 生物控逸实验数据表8 9 附录三符号、缩略语对照表9 6 攻读硕士学位期间发表的论文及科研成果9 7 l l l n ：0 的生物控逸及女f 氧反硝化菌的反硝化性能影f 究 至j 【谢9 8 l v 北京i ：商人学硕十学位论文 第一章引言 1 1 新型废水生物脱氮的微生物学研究进展 脱氮作用与生物脱氮技术f 1 益受到重视，主要有以下原因：( 1 ) 脱氮作用是一氧化氮( n o ) 和氧化亚氮( n 2 0 ) 的主要来源，n o 气体对臭氧层的破坏有重要影响，而n 2 0 气体则是著名 的温室气体，m a r s h a l ls p e c t o r l l l 在研究传统反硝化过程中发现，n 2 0 最大逸出量可达到总 氮去除量的5 0 - - 8 0 。( 2 ) 硝酸盐浓度过高是河流和海域水质同益富营养化的主要原因之 一，给水产养殖业带来了灾难性的影响。( 3 ) 脱氮在废水处理中有着重要作用，因为它既可 除去过量的硝酸根，又可去除b o d 物质。( 4 ) 脱氮的生物学研究是阐明光合作用、好氧呼吸、 厌氧呼吸之间进化起源关系的基础，也为生物脱氮技术进一步的应用提供了理论保障【2 、3 j 。 近年来，国内外生物脱氮技术主要集中在发展生物脱氮技术的新工艺和新概念，筛选培育 高效特殊的菌株或菌群等方面。 生物反硝化脱氮是通过生物还原作用将硝酸盐( n o f - f 0 转化为n o 、n 2 0 和n 2 的过 程。但是，一般废水中的大多数氮是以有机氮和氨氮形式存在，n 0 3 - - n 含量较少，因此 要实现反硝化脱氮过程必须先通过生物作用使有机氮和氨氮氧化为n 0 3 - - n ，然后再通过 生物作用使n 0 3 - - n 还原为n 2 。生物处理过程中氮的转化如图1 1 所示。废水生物处理中氮 的转化过程包括氨化、同化、硝化和反硝化作用。由于氨化和同化反应速度很快，在一般 废水处理设施中均能完成，故生物脱氮的关键在于硝化和反硝化作用。 硝化 有机碳 幽1 1 生物处理过程氮的转化 传统生物脱氮途径r 一般包括硝化和反硝化两个阶段，分别【l i 石肖化菌和反硝化菌完成。 硝化作用是指将氨氮( n h 4 + n ) 氧化为业硝酸赫氮( n 0 2 。n ) kn 0 2 一一n 被氧化为n 0 3 一- n 的 两阶段生物过j 晕，这个过程是依靠好氧性自养菌来完成的。在废水生物硝化j 卜艺设计。 ， 1 n ：o 的生物控逸及女氧反硝化菌的反硝化性能研究 必须充分考虑硝化反应的特点：第一硝化反应需氧量较大，大于好氧降解有机物需氧量的 4 倍；第二硝化反应需要消耗较多的碱度，当原水碱度不够时需外加碱度以维持反应的正 常进行；第三硝化反应的细胞产率很低，一般为o 1 0 1 5g v s s ( gn h 4 + - n ) ( 其中v s s 是 指挥发性固体，通常用于表示污泥中的有机物含量) ，为了充分地进行硝化反应，必须有 足够长的泥龄，以维持较高的硝化菌生物量浓度【4 1 。反硝化过程中n 0 2 - - n 和n 0 3 - - n 的转化 是通过反硝化细菌的同化作用和异化作用来完成的。同化作用是指n 0 2 - n 和n 0 3 一。n 被还原 为n h 4 + n ，用来合成新细胞，氮成为细胞质的过程。异化作用是指n 0 2 - - n 矛n n 0 3 - - n 被还原 为n 2 、n o 和n 2 0 等气态物质的过程，异化作用去除的氮约占总氮去除量的7 0 - - , 7 5 1 引。 硝化和反硝化反应的进行是受到一定制约的。一方面，自养硝化菌在大量有机物的存在下， 对氧气和营养物的竞争不如好氧异养菌，从而导致异养菌占优势；另一方面，硝化菌一般 为自养型好氧茵，而反硝化菌则为异养型兼氧菌，在有氧存在的条件下，绝大多数的反硝 化菌的反硝化活性就会被抑制。j 下是由于这两种菌对环境条件的要求不同，使得硝化和反 硝化这两个过程不能同时发生，而只能序列式进行，即硝化反应发生在好氧条件下，反硝 化反应则发生在严格的缺氧或厌氧条件下。在这种理论指导下，传统的生物脱氮工艺都是 将缺氧区( 或厌氧区) 与好氧区分隔开，如a o 系统。迄今为止的水处理实践几乎都是以上 述传统理论为指导，采用序列式硝化反硝化脱氮模式运行着。 针对传统脱氮工艺中的不足，人们努力探求新型、效果更好的脱氮微生物。最近的一 些研究证明：生物脱氮过程出现了一些超出人们传统认识的新发现，提出了非传统氮的消 亡现象，如硝化过程不仅由自养菌完成，某些异养菌也可以参与硝化作用【6 l ；而某些微生 物在好氧条件下也可以进行反硝化作用；一些学者还观察到在厌氧条件下，氨态氮减少的 现象，这些现象为研究开发水处理新技术提供了新的理论和思路1 7 j 。 早在1 9 3 2 年就有报道说，美国m e n d o t a 湖的沉积物在发酵期间，由未知的机理产生 了氮气【引。后来在同本k i z a k i k o 湖的沉淀物中【9 1 ，以及j o m e s 等发现在厌氧塘中产生了 氮气i 引，这些现象引起了科学家的注意。1 9 9 5 年v a nd eg r a a f 得出结论，证明这是一个生 物过程，称为厌氧氨氧化，是由微生物作用引起的【1 0 l 。目前己确认的厌氧氨氧化菌是 p l a n c t o m y c e t a l e s l l l 】。厌氧氨氧化菌的发现使硝化过程和反硝化过程由同一细菌在同环境 卜j 完成成为可能，大大简化了脱氮工艺环节。 2 0 世纪5 0 年代以来生物学家研究发现菌株p e s e u d o m o n a s f l u r e s c e n s 、a l c a l i g e n e s a c e o l b 、p s o u d o m o n a sa e r u g i n o s 等都可以利用有机或尤机氮化合物进行异养硝化作用。与 自养型硝化菌比较，异养型硝化菌的生长速率快、细胞产量高、要求溶解氧浓度低、能忍 ，i l 京葡人。荆贝一卜。予：何沦又 _ 一 受更酸性环境【1 到。 早在2 0 世纪8 0 年代，k r u l 矛im e i b e r g 就对好氧反硝化现象进行了科学确证。r o b e r t s o n 等1 1 2 l 在除硫和反硝化处理系统出水中首次报道分离出好氧反硝化菌即泛养硫球菌 t h i o s p h 口e r np a ，l t o t r o p h 口( 现更名为脱氮副球菌f 口r 口c d c c h sd e n i t r i f i c a t i o n s ) 、假单胞菌属的某 一种( p s e u d o _ r ，l d ，l 口ss p ) 和粪产碱菌似比口f 话聊缈扣e c 口凰) ，并证实了在生长过程中，0 2 并i n 0 3 。 共同存在时，其生长速度和反硝化率比两者单独存在时都高。此后国内外越来越多的研究 证明好氧反硝化菌的存在，许多不同种属的好氧反硝化菌也相继被筛选出来。 厌氧氨氧化细菌，异养硝化细菌，好氧反硝化细菌等的发现拓宽了生物脱氮研究的领 域，为更高效、经济的脱氮工艺的开发打下了基础。但人们对这些新型微生物的了解还不 够深入，对其生理特性、代谢途径以及作用机理等方面的研究还不是很清楚，大多只限于 实验室研究，不能应用实际水处理过程中。这些已发现的菌株也存在一些不足，如：厌氧 氨氧化菌为专性厌氧菌，其培养技术要求较高，还不能应用于实际废水处理工程。同时厌 氧氨氧化菌为自养细菌，在水处理中同样存在着启动速度较慢的缺点。异养硝化及好氧反 硝化细菌对c o d n 要求较高，在处理过程中会产生温室气体n 2 0 ，造成二次污染等。 1 2 好氧反硝化菌的作用机理及影响因素 1 2 1 好氧反硝化菌的作用机理研究 从反硝化酶系角度阐释好氧反硝化现象的发生是始于对菌株t h i o s p h a e r ap a n t o t r o p h a 的研究【1 3 】。人们在对z 艘，l 幻f 唧施研究中发现了两种不同的硝酸盐还原酶( n a r ) 。在好氧 或缺氧环境中加入硝酸根对其进行培养、破碎，分离出两种酶：一种是膜n a r ，它在厌氧 条件下优先表达，且仅在厌氧状态下发挥作用；还有一种为周质n a r ，在有氧条件下优先 表达，且在有氧或无氧条件下均能发挥作用。功鲫f d 舳叻口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。但是会极大地被所使用的碳源种类影响。还原性的碳源( 丁 酸盐或己酸盐) 越多，周质硝酸盐还原酶的活性越强。这证实了它在好氧生长过程中可能 起着氧化还原阈值的作用。周质硝酸盐还原酶很有可能参与了好氧反硝化作用，因为在周 质中硝酸盐的还原反应对于透过细胞质膜进行硝酸盐运转时的氧气的抑制不是很敏感。而 细胞质膜可以通过膜内硝酸盐还原酶来阻止这种还原反应。 菌株t h i d s 础口e m 印，l t o t r o p h 口的好氧反硝化机理是由r o b e r t s o n 确立的【1 3 】，他指在好 氧反硝化过程中，协同呼吸是一个很重要的机制。协同呼吸意味着0 2 和n 0 3 同时作为乜 子接受体。细胞色素c 和纠胞色素a a 3 之问的电子传输链中的“瓶颈”现象可以被克服。 n ，o 的生物控逸及立r 氧反梢化凶的反稍化性能岍冗 因而允许电子流同时传输给反硝化酶以及氧气，故反硝化反应就可能在好氧环境中发生。 1 9 9 4 年，p a t u r e a u 1 4 】发现菌株a l c a l i g e n e sf a e c a l i s 、p s e u d o m o n a sn a u t i c a 与t h i o s p h a e r a p a n 黼o p h a 一样，均是同时利用0 2 和n 0 3 - 作为电子受体。 在r o b e r t s o n 等报道了zp a n t o t r o p h a 的电子传递蛋白能在有氧条件下依次还原n 0 3 、 n 0 2 、n o 和n 2 0 ，最终生成n 2 之后引起了众多研究者的关注，人们纷纷对好氧反硝化菌 的各种反硝化酶进行了研究，反硝化作用实际上是一个硝酸盐的生物还原作用，它包括多 步反应： n 0 1 一n o ，n o + n 2 0 - n 2 每一步均有相应的酶催化进行作用，依次为硝酸盐还原酶n a r 、亚硝酸盐还原酶n i r 、 n 0 还原酶n o r 和n 2 0 还原酶n o s 。其酶系的作用过程如图1 2 t 1 引。 ll f 细胞股 1ii l 外阚质 n 。f 丽k ，裔，一、 细胞膜 n a r n r 图1 2 反硝化菌酶系的作川不蒽图 n a 广硝酸盐还原酶；n i 广亚硝酸盐还原酶；n o r n o 还原酶；n o s - 一n 2 0 还原酶 反硝化细菌种类繁多，基质( 电子供体) 多样，但电子受体的种类相对有限。以氧为 电子受体的好氧呼吸和以硝酸盐为电子受体的硝酸盐呼吸是反硝化细菌的主要代谢方式。 完整的反硝化菌由n a r 、n i r 、n o r 和n o s 组成，了解氧对各种反硝化酶的调控作用后，通 过酶系的调控和优化组合，可以得到同时利用氧和硝酸盐进行呼吸的好氧反硝化菌。 目前菌株zp 删t o t r o p h a 已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大改进。 1 2 2 好氧反硝化菌的影响因素研究 无论是利用氧气还是氮氧化物作为电子受体，都需要相应的电子供体存在，j 能形成 完整的产能过程。反硝化微；卜物的碳源种类范罔广，可以利用糖、醇、有机酸等化合物， 但各种碳源对反硝化作用的促进程度不同。张光哑等【1 6 1 对其筛选的反硝化菌株 鼬d 如c d c c “sh n 进行7 种不同碳源的测试，包括乙酸钠、节果酸、葡萄糖、乙酰胺、琥珀 酸盐、酵母膏和蛋白胨，发现菌株在酵母膏中的生k 量最大。f 爱茸等1 1 7 1 发现其筛选的反 4 j 匕京l ：商人学硕一 ：学位沦文 硝化菌株w 2 ( 属于芽孢杆菌属) ，分别以葡萄糖、蔗糖、乳糖和甲醇为碳源时，其反硝化作 用相差很大。其中，当以葡萄糖为碳源时，其反硝化作用相对最好；以蔗糖和乳糖为碳源 时，反硝化作用次之，速度较慢；当以甲醇为碳源时，虽有反硝化作用，但是速度十分缓 慢。可见，只有合适的碳源种类爿能有利于反硝化作用的顺利进行。 有研究发现周质n a r 的基因调控蛋白( f n r ) 对氧化还原反应比对氧敏感。认为在高 碳氮比和限制性呼吸的环境下，可进行好氧反硝化作用的原因可能是此时氧化还原反应 强，f n r 类蛋白活性高，可激活反硝化相关基因表达。所以当碳源含量受到限制时，好氧 反硝化现象消失【1 2 l 。这一理论符合f i r t h 等的研究结果，他们发现湖水中影响菌株 p s e u d o m o n a ss t u t z e r i 好氧反硝化作用的主要因素为碳源含量，而深度的变化对其影响不 大。 溶解氧( d o ) 是好氧反硝化作用的重要影响因素，也是好氧反硝化作用研究的重点， 可以看作是好氧反硝化作用的主要判断依据。p a t u r e a u 等【1 8 l 在研究一个好氧反硝化菌群时 发现，d o 值在0 3 5 - - 6 3 0m g l 时，该菌群的反硝化速度始终在3 4 1 0 4 2 3 0um o l n h d 之间，但是当d o 值小于0 3 5m g l 时，反硝化率急剧上升。菌株p d e n i t r i f i c a n sd s m 2 9 4 4 的d o 阀值约为2 2 0m g l 。菌株zp a n t o t r o p h a 的d o 阀值约为1 7 0m g l 。菌株p s e u d o m o n a s s t u t z e r i 的n 0 2 还原酶、n o 还原酶和n 2 0 还原酶3 种还原酶的d o 阀值分别为5 1 0 、2 5 0 、 3 8 0 m g l 。而菌株p s e u d o m o n a sn a u t i c a 以上三种还原酶的d o 阀值分别为4 0 5 、2 1 5 、 0 2 5 m g l 。研究表明，阀值随着底物、微生物的种类以及环境条件( 温度、气压、离子强度 等) 不同而不同。d o 阀值的范围般在0 0 8 - - 7 7 0m g l 。 一般认为在中性至偏碱性条件下适合反硝化微生物进行反硝化作用。b a u m a n n 1 9 l 对脱 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 ) 在不同p h 值条件下，测定其酶活的研究发现，当p h 值 为6 8 时，n 0 2 - 的积累值为3 1 4 5 1m m ，n 2 0 的累积值为1 0 _ 0 9m m ；当p h 值为7 5 时，两种中间产物的积累值都小的多，分别为1 1 1 0m m 和0 2 0 3m m 。经过进一步测 定发现，p h 值并不影响反硝化酶的转录，但在p h 值为7 5 时的亚硝酸还原酶的酶活是p h 值为6 8 时的1 0 - - 1 5 倍。 1 3 好氧反硝化菌的分离筛选现状 1 3 1 分离筛选方法 于好氧反硝化菌生长条件没有特殊要求，相同环境中许多菌可1 亏它竞争，故筛选效 率不i - l i i 。f 耳加一l - 自然界中这种菌本身就一i 多，所以很难筛选，已公柿的一些筛选思路和方 5 n ：o 的生物控逸及蚶氧反躺化菌的反硝化性l h , 匕i ，p - f 究 法主要有以下几类。 ( 1 ) 选择性培养基 对于一些对培养条件有特殊要求的好氧反硝化菌可利用此法。如m e i b e r g 等【2 0 】根据菌 株h y p h o m i c r o b i u m 以三甲胺或二甲胺为唯一碳源和氮源，在好氧条件下利用硝酸根 ( n 0 3 - n ) 为电子供体这一性质对其进行分离。 ( 2 ) 稀释法 此法可通过稀释将本来不占优势的好氧反硝化菌分离出来，如m a r k 将样品稀释1 0 1 0 ， 培养1 周。观察其p h 值，然后将p h 直发生变化的再进行稀释。重复以上操作，3 0 天后，筛 出1 株可在氧限制情况下将n 0 2 - n 还原并氧化n h 4 + 的细菌。 ( 3 ) 间歇曝气法 因为好氧反硝化菌可同时利用氧分子和硝基氮，好氧、缺氧的频繁转换有利于其在竞 争中取得优势地位。如r o b e r t s o n 等根据菌株t p a n t o t r o p h a 既能自养生长又能异养生长， 既可以在好氧条件下又能在缺氧条件下生长。缺氧时可利用硫化物作供能物质，也可利用 有机质这一性质。通过好氧、缺氧环境频繁转换，缺氧环境下有机质和硫化物共存等条件 的转换，而使得该菌在与其他菌的竞争中成为优势菌。 ( 4 ) 其他方法 根据好氧反硝化菌存在不受氧分子抑制的硝酸盐还原酶( o x y g e nr e s i s t e dn i t r a t e r e d u c t a s e ，简写为o r n a r ) 和亚硝酸还原酶( o x y g e nr e s i s t e dn i t r i t er e d u c t a s e ，简写为o r ni r ) i 拘假 说，以及反硝化菌n a r 是以醌氢类为电子供体，n l r 是以c y tb c l 为电子供体的报道， 孔庆鑫等【2 2 】提出一种假设：即好氧反硝化菌中存在一种可以醌氢类为电子供体，且不受氧分 子抑制的硝酸盐还原酶，和一种以c y tb c l 为电子供体，且不受氧分子抑制的亚硝酸盐还原 酶。根据这一假设，设计了利用呼吸抑制剂k c n 来筛选好氧反硝化细菌的方法，即在反硝 化培养基中加入k c n ，同时对培养基曝气，来筛选好氧反硝化菌。k c n 可终止呼吸链中电 子向氧分子的传递，从而抑制能利用氧作为电子受体的呼吸反应；同时曝气状态下，氧分 子又抑制了只在厌氧条件下起作用的酶。而好氧反硝化菌可通过o r n a r 将醌氢的电子传递 给硝酸豁并将其还原为亚硝酸黼，而后者又可以在o r ni r 的作用下接受c y tb c l 的电子还原 成n o x ，从而完成呼吸反应。理沦上在这种环境中好氧反硝化菌更易被筛选出来。 马放等1 2 3 j 认为采用污泥驯化一细菌分离纯化一初筛( 测总氮) 一复筛( 氮元素轨迹跟踪 测定法) 的方法筛选好氧反硝化细菌是有效的，该方法可以证实好氧反硝化细菌的存在。 同时还可以讧i ! 实好氧反硝化现象存在的非偶然性。 北京l ：商人学硕 ：学位论文 1 3 2 分离筛选现状 研究证明，从运河、池塘、二 = 壤和活性污泥中分离出好氧反硝化菌都是有可能的。 l o n ef r e t t e 等1 2 4 l 从问歇厌氧好氧运行污水处理池的活性污泥中分离出1 6 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。t l u k o w 等【2 5 l 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 l l ，并研究了不同溶氧条件下的反硝化 速度和不同碳源对其生长的影响。 g u n n a r 等【2 6 1 为了研究活性污泥中高效反硝化菌的多样性，从不同的城市废水处理厂 中分离出1 5 0 0 多株菌，共筛选出2 4 株高效反硝化菌，并对其进行1 6 s r r n a 分析，结果 显示其中5 株菌为r h o d o b a c t e r 属，1 6 株为r u b r i v i v a x 属，1 株为p s e u d o m o n a s 属，2 株未 确定，但其与b r u c e l l a 属的一些种表现出高相似性。 s h w u l i n gp a i 等1 2 7 1 从稻谷沉淀物中分离得到三株好氧反硝化菌，其在好氧或缺氧条 件下都能够将硝基氮转化为氮气获得能量，尤其是分离的菌株d c b t 6 的反硝化速率，不 受氧气的影响。此外，还将这些菌与完全好氧条件下驯化的综合废水的活性污泥混合，测 定其反硝化潜势。s c h o l t e n 等【2 8 】在垃圾渗滤液处理系统中分离出异养硝化菌t h a u e r a m e c h e r n i c h e n s i s ，该菌同时具有好氧反硝化作用。 d p a t u r e a u 等【2 9 1 从天然的生态系统中取四个样品，从活性污泥处理厂中取一个样品， 混合在一起，以硝酸盐为底物，循序渐进地在交替好氧厌氧条件下驯化，以富集好氧反硝 化菌。在饱和溶解氧条件下，混合系统和纯菌株均显示出好氧反硝化特性。 s e u n g h u nb a e k 等分离的菌株p 5 也能在有氧条件下以苯酚为有机碳源进行反硝化 作用，同时去除苯酚和硝基氮。h k h u a n g 等【3 1 1 从可同时进行硝化反硝化作用的污泥中分 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 。 s u 等【3 2 】从猪圈废水处理系统的活性污泥中分离出菌株p s e u d o m o n a ss t u t z e r is u ，此菌 株在氧含量为9 2 的条件下，硝基氮去除率达到9 9 2 4 。 n a o k it a k a y a 掣3 3 】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d o 浓度分别为3 9 m o l l 和3 8p 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 1 9p m o l m i n 和0 1 0 3 z m o l m i n 。 孔庆鑫等【2 2 l 利用氰化钾( k c n ) 选择性培养基，筛选得到一株可以柠檬酸钠为碳源，硝 酸钟为氮源，进行好氧反硝化作用的细菌。 e b r uq e l e n 等1 3 4 】从花房的仁壤中筛选出5 株菌，它们都能在好氧条件卜进行硝酸盐 呼吸。y o s h i f u m is h i n o d a 等 3 5 1 分离的好。戈反硝化菌d n t - 1 以甲苯为惟一碳源和能帚来源， n ：0 的生物控逸及好氧反硝化菌的反硝化性能研究 在有氧和厌氧的情况下均能生长。张光亚等1 1 6 l 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。 马放等i3 6 j 筛选得到好氧反硝化菌株x 3 1 ，经鉴定为p s e u d o m o n a sc h l o r i t i d i s m u t a n s 。当 培养液中初始氧化态氮质量浓度为1 5 0 r n g l 时，d o 值对菌株x 3 1 的反硝化效果没有显著 的影响。于爱茸等【”l 从鱼塘中分离得到1 株高效的好氧反硝化菌，经初步鉴定，为b a c i l l u s 。 由上可见，好氧反硝化作用是常规存在的而不是偶然的，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a , 6 ，y 纲的不同茵属( 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 n e s , m i c r o v i r g u l a 等1 。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，也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， 因而确定好氧反硝化菌最关键的问题就是如何测定其反硝化性能。 1 4n 2 0 的源与汇 气候变化，特别是全球变暖是当今人类面临的严峻挑战，是国际社会公认的全球性问 题。全球变暖的主要原因是大气中一些温室气体的浓度在工业革命以来急剧、持续增加。 目前大气中三种主要温室气体是c 0 2 、c h 4 、n 2 0 【3 7 1 。n 2 0 为痕量气体，但其对温室效应 的贡献是c h 4 的2 5 倍，对地球辐射的影响约为c 0 2 的1 0 1 5 1 3 8 1 ，等摩尔浓度n 2 0 的 增温潜势是c 0 2 的1 5 0 倍【3 9 l 。在对流层，n 2 0 很稳定，停留时间长达1 2 0 年，当传输到平 流层中可转化为n o ，进而引起臭氧层的破坏【4 0 】。目前，n 2 0 在大气中的背景浓度正以每 年0 2 0 3 的速度增加【4 1 1 。因此，了解n 2 0 的来源，研究其环境效应机理，并采取有效 手段控制其排放量，对于保护人类的生存环境具有十分重要的意义。 温室气体的源可理解为向大气中释放温室气体的自然或人为生态系统，温室气体的汇 则可理解为从大气中清除温室气体或其前体的自然或人为生态系统及有关过程。 n 2 0 的源包括天然源( 海洋、草原、森林等) 和人为源( 硝酸、己二酸生产、土壤耕作、 生物体燃烧等) 。表1 - 1 中列出了在氮循环过程中可能导致n 2 0 排放的各种源情况【4 引，水 处理已被列入人为源之一。目自订，对天然源产生量的估计很不准确，可能是人为源的两倍。 除了在大气中每年增加n 2 0 n3 0t g 4 5t g 以外，n 2 0 最主要的汇就是在大气中的光化 学分解，另外陆地水体和土壤也有可能吸收少量n 2 0 ( 见表1 2 ) 。 j 匕京i ：商人学硕十学似论文 表1 - 1氧化弧氮( n 2 0 ) 的各种源 大然源人为源 a 硝化作川 b 反硝化作川 1 - t - 壤 c 同化作川 1 十壤 a 化肥 b 酸雨 c 森林砍伐 d n 0 ：i 一- - n h 。异化作刖d 增加灌溉和稻i t l 面积 2 翥蠹、港湾、l ! 喾差獾誊川2 翥蠹、港湾、l ；萋墓攀霎蓁蕃境卜营养循环 3 植物燃烧3 植物燃烧 4 p , 3 电4 矿物燃料燃烧 5 火山喷发5 人畜废物处理 8 麻醉剂和气溶胶喷雾剂 1 2 气候变化反馈 温室气体浓度的未来变化趋势对于预测未来气候变化及其对社会经济的影响至关重 要，因此，自2 0 世纪6 0 年代以来，定量研究温室气体全球收支平衡问题( 源与汇) 一直是研 究的难点和热点。目前，大气n 2 0 的源与汇都缺乏准确的定量认识，无论是总排放量还是 各个源的排放量精度都很差，甚至还不能排除存在未被认识的重要源的可能性。 表1 2 全球人气n 2 0 源汇估算量 源与汇 罨n 2 吴0 篇篓a 蔑 蚓 n 尝n 丢0 慧n 蒯t g 竺a 妒( ，n t 2 “)一( 2 - 1 ) 海洋 1 4 2 6耕作十壤0 0 3 3 0 热带森林土壤壤 2 2 - - 3 7 人为源生物质燃烧0 0 2 0 2 大温带森林十壤 0 7 1 5 化彳i 燃料燃烧0 1 0 3 然蠢蓑萎器退化为草原0 。主二2 1 ：。3易变源幕主搴荔物 。0 ：4 1 二：6 3 热带森林退化为草原 8 “一” 硝酸产物 0 源草地 ? 厂 十壤吸收 ? 地卜水0 5 1 1平流层光反射 7 1 3 人气增k 3 4 5 政府问气候变化委员会( i p c c ) 对全球已知的n 2 0 源汇的总结中指出：全球n 2 0 的 排放总量为每年16 2 t g ，其中，热带森林和温带森林十壤的n ! o n 排放帚分别为每年3 0t g 和1 ot g ，二者之和约占全球n 2 0 排