（环境工程专业论文）一体式生物膜反应器运行特性及其机理研究.pdf

摘要 摘要 如何高效经济地进行污水中氮的去除一直是解决水污染危机所面临的主要 问题之一 本研究在国内外生物脱氮技术研究的基础上 考虑我国污水处理的 实际需求 开发了一种新型的一体化生物膜反应器 新型的一体化反应器分为 三个功能区 即好氧区 缺氧区和沉淀区 反应器设计的关键在于反应器主体 为圆柱形容器 布气管在反应器底部侧方 既保证了填料的流态均匀 同时降 低了能耗 本课题以模拟生活污水进行研究 通过3 种不同材质填料 纤维球填料 多面立体空心球填料 橡胶海绵组合填料 的比选 选取了挂膜周期短 处理 污水能力强的维纤球填料 通过改变反应器的工艺参数 温度 水力停留时间 瑚玎 气水比和碳氮比等 考察各因素对反应器去除污染物的影响 寻求最 优化的工艺条件 最终使出水能够达标排放 试验还考察了反应器处理实际污 水的能力 为了促进反应器在好氧状态的脱氮能力 从活性污泥中筛选了好氧 反硝化菌 并将其添加到反应器中 考察好氧反硝化菌在挂膜启动和平稳运行 阶段对系统脱氮的强化研究 同时 使用国内外主流的研究环境样品的分子生 物学方法p c r d g g e d e n a t u r i n gg r a d i e n tg e le l e c t r o p h o r e s i s 克隆测序 荧 光原位杂交 f l u o r e s c e n c ei ns i t uh y b r i d i z a t i o n 流式细胞术 f l o wc y t o m e t r y f c m 等对微生物群落结构进行解析 进行工艺控制和微生物作用与脱氮效率 之间的相关性分析 在反应器的运行过程中发现 纤维球填料和其它两种不同材质和构造的填 料相比 具有造价低廉 挂膜速度快 单位生物量高 微生物种群结构稳定 去除污染物效果好等的特点 考察了h r t 气水比 碳氮比 温度等因素对反 应器污染物去除的影响 同时分析了各影响因素下的分子生物学特征表现 h r t 的改变对系统内生物的生存环境的影响不大 某些特定种群的微生物在不同的 条件下活力有所不同 综合考虑去除效果和经济原因 最佳气水比为4 o 气水 比对于有机物的去除效果影响不大 但对氨氮和总氮的去除具有显著的影响 气水比的水平也对硝化菌群的群落特征产生影响 生物多样性随着气水比的增 加而降低 反应器中占优势的菌属为亚硝化单胞 丛毛单胞等菌群 且多数为 未培养菌的变形杆菌 碳氮比5 1 有利于反硝化作用和总氮的去除 有机物的 摘要 去除效率也较好 优势微生物属于假单胞菌的不同分支 另外还有少数的节细 菌属和杆菌属 反应器在常温条件下运行稳定 低温情况下亚硝酸盐的积累较 高 常温条件下的样品条带数量多于低温条件 同样的温度下 填料上生物膜 的条带数多于其它两个部分 常温的生物多样性高于低温条件 氨氧化细菌 a m m o m ao x i d i f i n gb a c t e f i a a o b 和亚硝酸盐氧化细菌m i t r i t eo x i d i z i n g b a c t e r i a n o b 和占总细菌的比例和温度正相关 反应器对南方某小区实际污水 中c o d 氨氮和总氮的去除效果较好 出水水质稳定 说明反应器比较适合用 来处理较低碳氮比的城市污水 从活性污泥中筛选的8 株好氧反硝化菌脱氮能力均高于5 0 多数属于假 单胞菌属的不同菌株 好氧反硝化菌在挂膜启动和平稳运行阶段对系统脱氮的 强化研究表明 投加好氧反硝化菌 可缩短系统的启动时间 提高系统对污染 物的去除效果 增强系统处理的稳定性 从分子生物学得出的结果来看p c r d g g e 对菌群结构分析只能反映优势微 生物的信息 f i s h 方法操作简单 选择何种方法检测荧光信号是精确定量的关 键 f c m 方法准确 简便 快速 但是对设备要求比较高 任何一种方法单独 使用评价生物多样性都有局限性 应该多种方法互补分析 本研究为探索一套 简便 快捷 有效的分子生物学方法 对微生物群落结构进行动态监控 为工 艺运行和特异菌群的动态变化及其功能之间架起一座桥梁 关键词 生物膜反应器 好氧反硝化菌 群落结构 p c r d g g e 克隆测 序 荧光原位杂交 流式细胞术 i i a b s t r a c t a b s t r a c t i ti so n eo ft h em a i ni s s u e sh o wt or e m o v en i t r o g e ne f f i c i e n t l ya n de c o n o m i c a l l y i nt h i ss t u d y an o v e li n t e g r a t e db i o f i l mr e a c t o rw a sd e v e l o p e df o ra c h i e v i n go r g a n i c c o m p o u n d sr e m o v a l n 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 ni nas i n g l er e a c t o rb a s e do nt h e a d v a n c e dk n o w l e d g eo fb i o l o g i c a ln i t r o g e nr e m o v a lt e c h n o l o g yc o n s i d e r i n ga c t u a l d e m a n df o rs e w a g et r e a t m e n ti nc h i n a t h eo u t s t a n d i n gc h a r a c t e r i s t i co ft h e i n t e g r a t e db i o f i l mr e a c t o rw a st h a ti th a dt h r e ef u n c t i o n a lz o n e s n a m e l y a e r o b i c a n o x i aa n dp r e c i p i t a t i o nz o n e t h ea e r a t i o np i p ei nc y l i n d r i c a lc o n t a i n e r sw a ss p e c i a l d e s i g n e dt oe n s u r et h ec a r r i e r sf l u i d i z i n gw i t hl o w e rh y d r o d y n a m i cd r a gt or e d u c e e n e r g yc o n s u m p t i o n t h ep e r f o r m a n c e so ft h r e ek i n d so fc a r r i e r s f i b r e b a l lc a r t i e r s p h e r i c a lc a r t i e r w i t hm u l t i p l es u r f a c ea n dr u b b e r s p o n g ec a r r i e ow i t hd i f f e r e n ts h a p ea n dm a t e r i a l w e r ei n v e s t i g a t e du s i n gl o wc a r b o n n i t r o g e nr a t i o 5 1 s i m u l a t e ds e w a g ea si n f l u e n t b a s e do nt h er e s u l t s f i b e rb a l lc a r r i e r sw e r es e l e c t e dt oi n v e s t i g a t et h ef a c t o r sh o wt o e f f e c tt h ep e r f o r m a n c eo fr e m o v i n gp o l l u t a n t sb yc h a n g i n gt h er e a c t o r sp a r a m e t e r s s u c ha st e m p e r a t u r e h r t h y d r a u l i cr e t e n f i o nt i m e g a sw a t e rr a t i oa n dc n c a r b o n n i t r o g e nr a t i o o n eo ft h e a i m sw a st oa c h i e v et h eo p t i m a lp r o c e s s c o n d i t i o n st oe n s u r et h ee f f l u e n tm e e t i n gt h ed i s c h a r g es t a n d a r d s t h ep e r f o r m a n c eo f t h er e a c t o rw a st e s t e di n p r a c t i c a lw a s t e w a t e rf r o mw a s t e w a t e rt r e a t m e n tp l a n t w w p t t h er e a c t o re x h i b i t e daw e l l d e n i t r i f i c a t i o nf u n c t i o ne v e nt h o u g ht h e d i s s o l v e do x y g e ni nt h er e a c t o ra l w a y sw a sk e p ta tn o ts ol o wc o n c e n t r a t i o ns oa st o s o m ea e r o b i cd e n i t r i f y i n gb a c t e r i aw e r es c r e e n e d i nt h ef o l l o w i n gp e r i o d s t h e s c r e e n e da e r o b i cd e n i t r i f e r sw e r ea d d e dt ot h er e a c t o rt os t u d yt h ee f f e c t so nb o t ht h e s t a r u po fb i o f i l md e v e l o p m e n ta n dt h ea r g u m e n td u r i n gt h eo p e r a t i o n a ls t a g e s o m e w e l lk n o w nm o l e c u l a rb i o l o g ym e t h o d s s u c ha sp c r d g g e d e n a t u r i n gg r a d i e n t g e le l e c t r o p h o r c s i s c l o n ea n ds e q u e n c i n g f i s h f l u o r e s c e n c ei ns i t uh y b r i d i z a t i o n a n df c m f l o wc y t o m e t r y w e r eu s e dt oe l u c i d a t em i c r o b i a lc o m m u n i t ys t r u c t u r e q u a l i t ya n dq u a n t i t yi no r d e rt om a k eal i n k a g eb e t w e e np r o c e s sc o n t r o lf o rh i g h i i i a b s j f ra c t e f f i c i e n c ya n dt h em i c r o b i a lc o m m u n i t ys t r u c t u r e r e s u l t ss h o w e dt h a tt h ef i b e r b a l lc a r r i e r sh a da d v a n t a g e so fl o w e rc o s t e a s i e rt o d e v e l o pb i l f i l m r i c h e rb i o m a s s w i t hm o r es t a b i l i t ym i c r o b i a lc o m m u n i t ys t r u c t u r e e f f e c t i v er e m o v a lo fp o l l u t a n t sc o m p a r e dw i t ht h eo t h e rt w ot y p e so fc a r r i e r s t h e f a c t o r sh r t g a s w a t e rr a t i o c nr a t i oa n dt e m p e r a t u r eo nt h er e m o v a lo fp o l l u t a n t s w a si n v e s t i g a t e d a tt h es a m et i m et h ea p p e a r a n c eo fm o l e c u l a rb i o l o g yc h a r a c t o r i s t c s r e l a t e dt oe a c hf a c t o rw a sa n a l y s i s e d t h ec h a n g eo fh r th a dl i t t l ei n f l u e n c eo n s u r v i v a le n v i r o n m e n to fm i c r o o r g a n i s m s b u ts o m e p a r t i c u l a rg r o u pb a c t e r i ah a dh i g h a c t i v i t y a f t e rb a l a n c i n gt h er e m o v a le f f e c ta n dt h ee n e r g yc o n s u m p t i o n 4 0f o rw a t e r t og a sr a t i ow a so p t i c a l t h ec o n c e n t r a t i o no fd i s s o l v e do x y g e nh a ds i g n i f i c a n ti m p a c t o nt h er e m o v a lo fa m m o n i aa n dt o t a ln i t r o g e nw h i l en o tt h es a m et o o r g a n i c c o m p o u n d s t h eb i o d i v e r s i t y d e c r e a s e d 航t l l i n c r e a s i n gg a s w a t e rr a t i o s t h e d o m i n a n tg e n e r aw e r en i t r o s o m o n a sa n dc o m a m o n a s a n dm o s to ft h e mw e r e u n c u l t u r e dp r o t e o b a c t e r i a f i v et oz e r oo fc nr a t i ow e r eb e n e f i c i a lt od e n i t r i f i c a t i o n a n dt h er e m o v a lo fo r g a n i cc o m p o u n d s t h ed o m i n a n tm i c r o o r g a n i s m sb e l o n g e dt o d i f f e r e n tb r a n c h e so fp s e u d o m o n a s a sw e l la st h em i n o r i t yb a c i l l u sa n da q u a t i c b a c t e r i a r e a c t o rr u ns t a b l ya tr o o mt e m p e r a t u r ea n dt h en i t r i t ea c c u m u l a t e da tl o w t e m p e r a t u r e a tr o o mt e m p e r a t u r et h en u m b e ro fd g g eb a n d sa n db i o d i v e r s i t yw e r e m o r et h a nl o wt e m p e r a t u r ec o n d i t i o n s w h i l ea tt h es a m et e m p e r a t u r et h eb i o d i v e r s i t y o fb i o f i l mw a sh i g h e rt h a nt h es e t t l e m e n ta n da n a e r o b i cz o n e so ft h er e a c t o r t h e p e r c e n t a g eo fa o b a m m o n i ao x i d i z i n gb a c t e r i a a n dn o b n i t r i t eo x i d i z i n g b a c t e r i a t ot o t a lb a c t e r i ah a dap o s i t i v ec o r r e l a t i o nw i t ht e m p e r a t u r e i nt r e a t i n g p r a c t i c a ls e w a g eo fs h a n g h a iq u y a n gm u n i c i p a l t h er e a c t o rs h o w e dh i g hr e m o v a l p e r f o r m a n c eo fc o d a m m o n i aa n dt o t a ln i t r o g e n a n dt h eq u a l i t y o fe f f l u e n t f l u c t u a t e dl i t t l e t h ec o n c l u s i o ni st h a t t h ei n t e g r a t e db i o f i l mr e a c t o rw a sq u i t e a p p r o p r i a t e t od e a lw i t hl o w c a r b o n n i t r o g e nr a t i oo fm u n i c i p a ls e w a g e e i g h ts t r a i n so fa e r o b i cd e n i t r i f y i n gb a c t e r i as c r e e n e df r o ma c t i v es l u d g eh a dt h e c a p a b i l i t yo fd e n i t r i f i c a t i o no v e r5 0p e r c e n t a n dt h em a j o r i t yb e l o n g e dt od i f f e r e n to f s t r a i n sp s e u d o m o n a s b ya d d i n ga e r o b i cd e n i t r i l y i n gb a c t e r i ac a nn o to n l ys h o r t e n e d t h es t a r t u pt i m eo ft h eb i o f i l mp r o c e s s b u ta l s oi m p r o v e dt h er e m o v a le f f i c i e n c yo f p o l l u t a n t s a sw e l la se n h a n c e ds t a b i l i t yo ft h ep r o c e s s 1 1 1 er e s u l t ss h o w e dt h a t a b s t r a c t i n t e g r a t e d b i o f i l mr e a c t o rh a v et h ea d v a n t a g e so fl e s sl a n do c c u p a t i o n l e s s i n v e s t m e n t a n dh i g hr e m o v a lr a t eo fp o l l u t a n t s r e s u l t ss h o w e dt h a tt h ec o m p a c t s c b rw a se f f i c i e n ti nn u t r i e n tr e m o v a l 析mc o dr e m o v a le f f i c i e n c yo v e r9 0 a n d d e n i t r i f i c a t i o na b o u t6 0 i ti sm u c hs u i t a b l ef o rt h ec u r r e n tw a s t e w a t e rt r e a t m e n ti n m e d i u ma n ds m a l lc i t i e si nc h i n a b a s e do nm o l e c u l a ra n a l y s i s t h ep c r d g g eo n l yp r e s e n t e das k e l e t o no f m i c r o b i a lc o m m u n i t ys t r u c t u r es oi tw a so n l yar o u g hr e f l e c t i o no fd o m i n a n tb a c t e r i a f i s hm e t h o dw a se a s yt oo p e r a t e b u th o wt oi d e n t i f yt h ed e t e c t e dc e l l sa c c u r a t e l y w a st h ek e yc o n s i d e r a t i o n 1 1 1 ec o m b i n a t i o nm e t h o do ff i s h f c mw a se s t a b l i s h e dt o b ear a p i d s i m p l ea n da c c u r a t ee n u m e r a t i o nm e t h o df o rd e t e c t i n ga n dq u a n t i f y i n g g r o u p s p e c i f i co r g a n i s m s a n yo ft h em e t h o d su s e do nt h e i ro w nf o re v a l u a t i n g b i o l o g i c a ld i v e r s i t yh a dl i m i t a t i o n s i ts h o u l db ec o m p l e m e n t a r ya n a l y s i so fm u l t i p l e m e t h o d s ad e e pc o n s i d e r a t i o nw a sh o wt h e s eo r g a n i s m si n f o r m a t i o nc a nb ea p p l i e d t oo f f e rg u i d a n c ef o re n g i n e e r i n g t k ss t u d yw a sb e n e f i tf o re s t a b l i s h i n gap l a t f o r m t oq u a l i f ya n dq u a n t i f ym e m b e r st om o n i t o rd y n a m i c si nt h em i c r o b i a lc o m m u n i t y s t r u c t u r ew i t hs i m p l e f a s ta n de f f i c i e n tm e t h o d s w h i c hs e r v e da sab r i d g eb e t w e e n t h em i c r o o r g a n i s m sa n dp r a c t i c e k e yw o r d s b i o f i l mr e a c t o r a e r o b i cd e n i t r i f y i n gb a c t e r i a m i c r o b i a lc o m m u n i t y s t m c t i l r e p c r d g g e d e n a t u r i n g g r a d i e n tg e le l e c t r o p h o r e s i s c l o n ea n d s e q u e n c i n g f i s h f l u o r e s c e n c ei ns i t uh y b r i d i z a t i o n f c m f l o wc y t o m e t r y v 学位论文版权使用授权书 本人完全了解同济大学关于收集 保存 使用学位论文 的规定 同意如下各项内容 按照学校要求提交学位论文的 印刷本和电子版本 学校有权保存学位论文的印刷本和电子 版 并采用影印 缩印 扫描 数字化或其它手段保存论文 学校有权提供目录检索以及提供本学位论文全文或者部分 的阅览服务 学校有权按有关规定向国家有关部门或者机构 送交论文的复印件和电子版 在不以赢利为目的的前提下 学校可以适当复制论文的部分或全部内容用于学术活动 学位论文作者签名 杏下复天 年月 日 同济大学学位论文原创性声明 本人郑重声明 所呈交的学位论文 是本人在导师指导下 进行 研究工作所取得的成果 除文中已经注明引用的内容外 本学位论文 的研究成果不包含任何他人创作的 已公开发表或者没有公开发表的 作品的内容 对本论文所涉及的研究工作做出贡献的其他个人和集 体 均已在文中以明确方式标明 本学位论文原创性声明的法律责任 由本人承担 学位敝作者签名 巷丫嫉 年月日 第一章引言 课题来源 第一章引言 本课题得到了以下资金的资助 2 0 0 5 年度高等学校博士学科点专项科研基金 2 0 0 5 0 2 4 7 0 16 教育部新世纪优秀人才支持计划 n c e t 0 5 0 3 8 7 科技部政府间 中国 丹麦 科技合作项目 s 1 4 m 岬2 8 1 1 生物脱氮研究进展 由于工农业的发展 人口的剧增及城市化 大量含氨氮的生活污水和工业 废水被排入天然水体 存在于水中的氨氮对人体有一定的毒害作用 对水中的 生物也有一定的毒性 作为一种无机营养物质 氨氮还是引起海洋 湖泊 河 流及其它水体富营养化的重要原因 污水脱氮技术可分为物理法 化学法和生 物法 相对而言 生物脱氮技术投资少 运行操作简单 无二次污染而被广泛 应用 1 1 1 生物脱氮原理和过程 生物脱氮是在微生物的作用下 将有机氮和氨氮转化为n 2 和n x o 气体的过 程 生物脱氮可分为氨化一硝化一反硝化三个步骤 1 1 1 1 1 1 氨化作用 氨化作用是指将有机氮化合物转化为氨氮的过程 也称为矿化作用 参与 氨化作用的细菌称为氨化细菌 在自然界中 它们的种类很多 主要有好氧性 的荧光假单胞菌和灵杆菌 兼性的变形杆菌和厌氧的腐败梭菌 1 1 1 2 硝化作用 硝化作用是指将氨氮氧化为n o x n 的生物化学反应 由一类自养好氧微生 1 第一章引言 物亚硝酸菌和硝酸菌共同完成 包括亚硝化反应和硝化反应两个步骤 第一步 称为亚硝化过程 是由亚硝酸菌将氨氮转化为亚硝酸盐 亚硝酸菌中有亚硝酸 单胞菌属 亚硝酸螺杆菌属和硝化球菌属 第二步称为硝化过程 由硝酸菌 包 括硝酸杆菌属 螺菌属和球菌属 将亚硝酸盐进一步氧化为硝酸盐 亚硝酸菌和 硝酸菌统称为硝化菌 发生硝化反应时细菌分别从氧化氨氮和n 0 2 一n 的过程 中获得能量 碳源来自无机碳化合物 如c 0 3 2 c 0 2 等 假定细胞的组成为 c 5 h 7 n 0 2 则硝化菌合成的化学计量关系可表示为 岫4 1 s c o l n 镭拭蹿4a t n e a n q i i a 4 a o i t 嫩l t h a s s a e t h 11 由上式可以看出硝化过程的三个重要特征 氨氮的生物氧化需要大量的氧 每去除l g 的氨氮需要4 2 9 硝化过程细胞产率非常低 难以维持较高物质浓度 特别是在低温的冬 季 硝化过程中产生大量的质子 矿 为了使反应能顺利进行 需要大量的 碱中和 理论上大约为每氧化l g 的氨氮需要碱度5 5 7 9 以n a c 0 3 计 1 1 1 3 反硝化作用 反硝化作用是指在厌氧或缺氧条件下 n o x n 及其它氮氧化物被用作电子 受体被还原为氮气或氮的其它气态氧化物的生物学反应 这个过程由反硝化菌 完成 主要有变形杆菌属 微球菌属 假单胞菌属 芽胞杆菌属 产碱杆菌属 黄杆菌属等兼性细菌 有分子氧存在时 利用0 2 作为最终电子受体 氧化有机 物 进行呼吸 无分子氧存在时 利用n o x n 进行呼吸 研究表明 这种利用 分子氧和n o x n 之间的转换很容易进行 即使频繁交换也不会抑制反硝化的进 行 综上所述 生物脱氮过程的示意图和各项生化反应特征分别如下图1 1 和表 1 1 所示 2 第一章引言 氮化菌墅硝酸菌 硝化菌反硝化菌 o r n 叫阻 n 叶n 0 一叫 一刊2 0 叶 厌氯或好氯 需有机物 产碱 好氛 不需有机物 不产碱 缺氯 着有机鞫易产碱 n 0 一 氯化作用硝化作用 反硝化作用 一 岬l r n i l 3 同化反硝化 成为有机体原生质 0 r n n p 啼n 2 异化反硝化 成为气态氟 f i g 1 1s c h e m a t i cd i a g r a mo fb i o l o g i c a ln i t r o g e nr e m o v a lp r o c e s s 图1 1 生物脱氮过程示意图 表1 1 生物脱氮反应过程中各项生化反应特征 2 1 t a b 1 1o v e r v i e wo f b i o c h e m i c a lc h a r a c t e r i s t i c si nb i o l o g i c a ln i t r o g e nr e m o v a lp r o c e s s 生化反应类型去除有机物 墅生 一 反硝化 i i l l l j yu hh 亚硝化 硝化 微生物 好氧警兼性 自养型菌 自养型菌兼性菌 异养型菌 能源有机物 化能化能 有机物 氮 源警受 qq 伤 溶解氧1 2 m g l 以上2 m g l 以上 2 m g l 以上 碱度无变化 氧与黜 碱 n 度要 无变化 耗氧 最适p h 值 最适水温 增殖速度 d 1 翕鬻了凳黝裟 娟氧 剽6 n l 需m g 氧 氧2 m g 3 4 3 m g 1 4 m g 7 8 5 3 0 c o 2 1 1 0 8 3 6 7 5 3 0 0 c 0 2 8 1 4 4 n 0 2 n o r 0 o 5 m g l 还原l m g n 0 3 n 或n 0 2 n 生成 3 5 7 m g 碱度 分解l m g 有机物 c o d 需n 0 2 n o 5 8 m g n 0 3 n 0 3 5 m g 所提供的 化合态氧 p 8 3 4 3 7 0 c 好氧分解的 5 8 5 3p 砣 5 l 第一章引言 1 1 2 脱氮微生物研究进展 传统生物脱氮途径一般包括硝化和反硝化两个阶段 分别由硝化菌和反硝 化菌完成 最近的一些研究突破传统理论 发现了非传统的氮消亡现象 近年 来的许多研究表明 硝化反应不仅可以由自养菌完成 某些异养菌也可以起硝 化作用 3 l 反硝化不只在缺氧条件下进行 某些细菌也可在好氧条件下进行反硝 化 4 1 许多好氧反硝化菌同时也是异养硝化菌 并能把n h 4 氧化成n 0 2 后直接 进行反硝化反应 5 6 这些现象为水处理研究开发新技术提供了新的理论和思路 基础 1 1 2 1 脱氮微生物 1 异养硝化菌 迄今为止 自养硝化细菌还是被认为是自然界硝化作用的主要执行者 而 异养硝化作用 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 不同于传统的自养硝化作用 它的底 物可以是无机态氮也可以是有机态氮 7 1 近几十年来 研究者相继从不同类型的 土壤 8 1 污泥 9 1 湖利10 1 深海火山口 1 1 1 等发现和分离了多种具有硝化活性的异 养微生物 包括细菌 放线菌 真菌 并证明一些反硝化微生物也能够进行硝 化作用 生成硝酸盐和亚硝酸盐 l 刭 从酸性土壤中筛选出了不同的细菌和真菌 可以通过异养途径进行反硝化 t h i o s p h a e r a p a n t o t r o p h a 是一种能氧化硫化物的 细菌 具有同时异养硝化和好氧反硝化的能力 另外还有 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 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 t 1 3 j 从现有的研究来看 异养硝化微生物的硝化途径 机理 可能与自养硝化细菌不同 它们可在氧化过程中形成多种无机和有机氮化合物 包括一些气态n 产物如氧化亚氮等 1 4 1 5 异养硝化作用途径 产物的多样性和 异养硝化 好氧反硝化的同时存在被认为是异养硝化微生物硝化作用产物 n o z 和n 0 3 一 积累量偏低的原因 2 好氧反硝化菌 4 第一章引言 上世纪8 0 年代 r o b e r t s o n 等在反硝化除硫系统出水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 s s p 和a l c a l i g e n e s f a e c a l i s 等i i q 其它 常见的好氧反硝化菌还有p s e u d m o n a sn a u t i c a l t h a u r e am e c h e r n i c h 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 i c a n s 等 近年来 人们在各种不同的环境下例如土壤 沟渠 池塘 活性污泥 沉积物等分离出了好氧反硝化菌 p a t u r e a u 等从升流式 缺氧滤床中分离出好氧反硝化菌s g l y 2 i l7 研究表明 氨氧化细菌可以进行反硝化作用 协同呼吸是好氧反硝化菌的 重要作用机理之一 协同呼吸是指分子氧和硝酸盐同时作为电子受体 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 h i p p e n 等报道了自养微生物在好氧情况下的反硝化 称之为好氧反氨化或好氧 脱氮 硝化细菌除了能够进行正常的硝化作用外 还能进行反硝化作用 l 引 例 如 在 e u r o p a e a 和n e u t r o p h a 的纯培养中 它们都能利用羟胺 氢气和有机 物质 乙酸盐或丙酮酸盐 作为电子供体 把亚硝酸盐还原成氮气 一些反硝化细 菌除了在无氧条件下进行正常的反硝化作用外 还能在有氧条件下进行反硝化 作用 例如p a r a c o c c u sp a n t o t r o p h a 能进行好氧反硝化 直接把氨转化为氮气 还有一些细菌彼此合作 进行序列反应 把氨转化为氮气 例如n e u r o p a e a 把 氨氧化为亚硝酸盐 接着b r o c a d i a a n a m mo x i d a n s 把氨和亚硝酸盐转化为氮气 3 自养反硝化细菌 反硝化一般为异养厌氧代谢 需要有机碳源 而自养反硝化菌是以还原性 的无机物 硫化物 h 2 作为电子供体 以氧化态氮为电子受体进行的反硝化过程 k o e n i g 对t h i o b a c i l l u sd e n i t r i f i a n s 的自养反硝化过程的研究表明 氧化单质硫为 硫酸盐的同时还原硝酸生成氮气 并产生菌体代谢所需的有机物 因此利用自 养反硝化可以免除或减少有机碳源的投加 降低污水的处理成本1 1 9 1 4 厌氧氨氧化细菌 长期以来 人们认为氨的氧化仅限于在好氧环境下发生 从化学热力学角 度分析可以看出 厌氧氨氧化比传统的好氧硝化更易发生 b r o d a 早在2 0 年前 就根据热力学计算提出了自养厌氧氨氧化细菌的存在 目前己报道的厌氧氨氧 化微生物p l a n c t o m y c e t a l e s s c a l i n d u ab r o d a e s c a l i n d u aw a g n e r i 都是借助分子 生物学方法 在污水处理过程及黑海底泥中发现的 2 叭 第一章引言 1 1 2 2 脱氮过程功能酶 从有机氮或氨态氮到氮气是发生在微生物体内的一系列酶促反应 首先在 氨单加氧酶 a m m o n i am o n o o x y g e n a s e a m o 的催化下将氨氧化成羟氨 再经羟 氨氧化还原酶 h y d r o x y l a m i n eo x i d o r e d u c t a s e h a o 的催化下将羟氨氧化成亚 硝酸 进而由硝化细菌的亚硝酸盐氧化还原酶催化形成硝酸 而在厌氧氨氧化 细菌中的情况则较为复杂 首先是亚硝酸被还原为羟氨 然后一分子氨和一分 子羟氨在类氨单加氧酶的催化下被氧化为肼 进而在类羟氨氧化还原酶的催化 下被氧化为氮气川 多种酶参与了这个生化代谢途径 主要有以下几类 1 氨单加氧酶 a m o 是由3 个不同亚基 a m o a a m o b 和a m o c 组成的三聚体膜结合蛋 白 只能催化非离子氨 n h 3 氧化不能催化离子氨 n h 4 氧化 因此是整个反应的 限速步骤 a m o a a m o b 和a m o c 属于一个操纵子 不同种之间的a m o 基因的 排列相同且具有很高的相似性 欧洲亚硝化单胞菌的a m o 基因的转录有3 种不 同的m r n a 产物 其一对应于a m o c 其二对应于a m o a b 其三对应于 a m o c a b a m o b 基因的3 个拷贝都是功能型的 但表达的程度不同 这些基因 受氨及亚硝酸的诱导表达 2 1 2 2 1 2 羟氨氧化还原酶 h a o 是一种有相同亚基构成的三聚体细胞周质蛋白 对于羟氨氧化酶基因 h a o 研究得较为详细的是欧洲亚硝化单胞菌的h a o 基因 受氨及亚硝酸的诱导 表达 转录为一个单顺反子的m r n a 从a m o 和h a o 两种酶的作用特性可 以预见亚硝化过程的低速和产能的低效率 由此极大地限制了亚硝化细菌生长 的速率1 2 3 j 3 亚硝酸盐氧化还原酶 n o r n i t r i t eo x i d o r e d u c t a s e 也是由3 个不同亚基组成的三聚体膜结合蛋 白复合体 n o r a n o r b 和n o r x n o r 复合体还含有铁 钼 硫和铜离子 催化 亚硝酸盐的氧化 催化硝酸盐的还原 受亚硝酸及硝酸诱导表达 2 4 2 5 4 硝酸还原酶 n a r n i t r a t er e d u c t a s e 从反硝化酶系角度阐释好氧反硝化现象是开始于 t h i o s p h a e r a p a n t o t r o p h a 的研究 t h i o s p h a e r a p a n t o t r o p h a 同时存在着两种不同 的硝酸还原酶 n a r 即膜内硝酸盐还原酶和周质硝酸还原酶 在缺氧条件 膜 6 第一章引言 内硝酸盐还原酶被表达 在好氧条件下 周质硝酸盐还原酶被表达 另外 还 有类氨单加氧酶 类羟氨氧化还原酶等 这类酶并没有经分离纯化得到 只是 根据厌氧氨氧化的底物和产物分析 以及反应特性确定有这样类似的酶类存在 目前对硝化作用的研究中仅停留在菌种的分离 纯化和生理生化特性研究 应 该加强硝化微生物的分子生物学方面的工作 包括 高效硝化菌的分离筛选 硝化作用微生物的分子生态学研究 自养硝化作用微生物的分子生物学研究 可以在理论上阐明硝化微生物的脱氮机制 克隆硝化过程相关酶的基因 通过 酶基因的改造 改善酶对氨的亲和力 提高硝化作用的速度和效率 或将这些 基因克隆到异养微生物中进行高效表达 构建基因工