排污口氮元素轉(zhuǎn)化細(xì)菌數(shù)量的研究現(xiàn)狀和意義【文獻(xiàn)綜述】

1、<p><b>　　畢業(yè)論文文獻(xiàn)綜述</b></p><p><b>　　生物工程</b></p><p>　　排污口氮元素轉(zhuǎn)化細(xì)菌數(shù)量的研究現(xiàn)狀和意義</p><p>　　摘要：氮素污染是造成水體富營(yíng)養(yǎng)化，赤潮的主要因素之一，因此消除氮素污染成為刻不容緩的事宜。目前多采用生物法去除氮素。生物脫氮主要通過(guò)硝化作用

2、和反硝化作用兩個(gè)過(guò)程完成。氮元素轉(zhuǎn)化細(xì)菌是這兩個(gè)過(guò)程的主要參與者，研究排污口氮元素轉(zhuǎn)化細(xì)菌的數(shù)量可以為海洋環(huán)境災(zāi)害提供科學(xué)的依據(jù)。本文介紹了排污口污廢水中氮元素轉(zhuǎn)化細(xì)菌數(shù)量的研究現(xiàn)狀及氮元素轉(zhuǎn)化細(xì)菌的應(yīng)用現(xiàn)狀。</p><p>　　關(guān)鍵詞：硝化細(xì)菌；反硝化細(xì)菌；亞硝化細(xì)菌</p><p>　　1 氮元素轉(zhuǎn)化細(xì)菌數(shù)量的時(shí)空分布</p><p>　　1.1 氮元素轉(zhuǎn)化細(xì)

3、菌概況</p><p>　　硝化細(xì)菌（Nitrifying bacteria，or Nitrifi）是一大類在自然界氮素循環(huán)中十分重要的菌群，它們能夠通過(guò)硝化作用把氨氮轉(zhuǎn)化為亞硝酸鹽，再進(jìn)一步把亞硝酸鹽轉(zhuǎn)化為硝酸鹽。硝化細(xì)菌是歷史上最早發(fā)現(xiàn)的表現(xiàn)為化能無(wú)機(jī)自養(yǎng)型的微生物，Winogradsky通過(guò)實(shí)驗(yàn)證明了這種細(xì)菌能以CO2為唯一碳源而產(chǎn)生有機(jī)物質(zhì)及細(xì)胞[1]。</p><p>　　反硝化

4、過(guò)程實(shí)質(zhì)上是一個(gè)硝酸鹽的生物還原過(guò)程。硝酸鹽還原可區(qū)分為同化性硝酸鹽還原（assimilatory nitrate reducation）和異化性硝酸鹽還原（dissimilatory nitrate reducation）。在同化性硝酸鹽還原中，產(chǎn)物（氨）被用于合成細(xì)胞物質(zhì)；而在異化性硝酸鹽還原中，產(chǎn)物（氨或氮?dú)猓┎槐挥糜诤铣杉?xì)胞物質(zhì)。異化性硝酸鹽還原有兩條途徑：其一是把硝酸鹽還原成氨；其二是把硝酸鹽還原成氣態(tài)氮化物（主要是氮?dú)猓５?/p>

5、一條途徑正好與硝化作用相反，因此是“名副其實(shí)”的反硝化作用。但由于歷史原因，人們沒(méi)有把第一條途徑稱為反硝化作用，反而把第二條途徑冠名為反硝化作用（denrtrification）。在第二條途徑中，非氣態(tài)氮化物被轉(zhuǎn)化為氣態(tài)氮化物而逸至大氣，因此這條途徑又被稱為生物脫氮。反硝化作用包括多步反應(yīng)（NO3-→NO2-→NO→N2O→N2），涉及的氣態(tài)氮化物有NO，N2O和N2。因?yàn)镹O對(duì)生物有劇毒，以NO為最終產(chǎn)物的細(xì)菌往往難以存活，所以通常把

6、能夠還原硝酸鹽或亞硝酸鹽，產(chǎn)生N2O或N2的細(xì)菌，稱為反硝化細(xì)菌[2]。</p><p>　　1.2 排污口氮元素轉(zhuǎn)化細(xì)菌的數(shù)量研究現(xiàn)狀</p><p>　　早在1984年鄭福壽等發(fā)表九龍江口和廈門市區(qū)沿岸水域反硝化細(xì)菌的分布，對(duì)夏門港船塢排污口、客運(yùn)碼頭排污口和華僑中學(xué)附近的生活污溝水進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)生活污溝水中的反硝化細(xì)菌數(shù)量比港灣、河口中的數(shù)量多的多，多達(dá)750萬(wàn)個(gè)細(xì)菌菌∕毫升，等于前

7、面表層水中測(cè)定結(jié)果的最高測(cè)數(shù)（350萬(wàn)個(gè)細(xì)菌/毫升）2倍以上；污水中最低測(cè)數(shù)也有25萬(wàn)個(gè)細(xì)菌/毫升，比對(duì)其他站所測(cè)的最低數(shù)（250個(gè)細(xì)菌/毫升）高三個(gè)數(shù)量級(jí)。這說(shuō)明了生活污溝水中含有足夠量的被反硝化細(xì)菌所利用的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)[3]。</p><p>　　在遼河口沉積物中硝化細(xì)菌數(shù)量的時(shí)空變化分析中，采用MPN-Griess和MPN-PCR兩種方法，于2007年春季（5月份） 、夏季（8月份）和秋季（11月份）分3個(gè)航次

8、，對(duì)遼河口區(qū)域沉積物中的硝化細(xì)菌進(jìn)行了計(jì)數(shù)，并對(duì)硝化細(xì)菌在時(shí)間和空間上的分布進(jìn)行了定量分析。結(jié)果表明，MPN-PCR方法要靈敏于MPN-Griess方法10～100倍，且重復(fù)性好，能夠更快速、更準(zhǔn)確的測(cè)定硝化細(xì)菌的數(shù)量；遼河口沉積物中硝化細(xì)菌的數(shù)量有明顯的季節(jié)差異，分布趨勢(shì)為春季最高、夏季最低;空間水平分布趨勢(shì)為：從河口上游至深海區(qū)，硝化細(xì)菌數(shù)量逐漸降低。說(shuō)明硝化細(xì)菌數(shù)量的時(shí)空分布與環(huán)境溫度和沉積物中N的含量有關(guān)[4]。</p&g

9、t;<p>　　在富營(yíng)養(yǎng)化湖泊系統(tǒng)藻類水華與硝化細(xì)菌種群作用關(guān)系的研究中，運(yùn)用Real-time PCR定量分析技術(shù)對(duì)污染的紫陽(yáng)湖，水果湖，菱角湖中對(duì)硝化細(xì)菌，各氮素，葉綠素測(cè)數(shù)，對(duì)紫陽(yáng)湖，水果湖，菱角湖中硝化細(xì)菌定量分析。說(shuō)明三湖中藻類與硝化細(xì)菌的相互關(guān)系，并模擬體系藻類的生長(zhǎng)抑制硝化作用。</p><p>　　Gerda Harms等研究者利用Real-Time PCR(探針?lè)?方法系統(tǒng)測(cè)定了周

10、期一年中城市污水處理廠活性污泥中，硝化細(xì)菌和氨氧化基因水平長(zhǎng)期的變化特征，揭示了不同季節(jié)變化對(duì)于氨氧化細(xì)菌和亞硝酸鹽氧化細(xì)菌的影響。實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)地優(yōu)化和總結(jié)了針對(duì)污水處理系統(tǒng)中硝化細(xì)菌群落的定量測(cè)定方法。研究中分別以amoA基因、β-Protebacteria亞類的氨氧化細(xì)菌和Nitrospira菌群以及總細(xì)菌的 16SrDNA片段作為測(cè)定目標(biāo)，較好地檢測(cè)了實(shí)際污水處理廠的硝化細(xì)菌群落[5]。</p><p>　　在

11、遼河口沉積物反硝化細(xì)菌數(shù)量及多樣性的研究中，對(duì)遼寧省遼河入?？谶M(jìn)行調(diào)查，反硝化細(xì)菌的數(shù)量從河口上游至深海區(qū)呈逐漸降低趨勢(shì)，春季反硝化細(xì)菌數(shù)量最多，秋季次之，夏季最低。此研究中的有些細(xì)菌雖與世界上一些河口及海域沉積物中的菌種同屬于變形菌門，但是與其親緣關(guān)系較遠(yuǎn)，由此推測(cè)反硝化細(xì)菌的種類具有明顯的地域性差異[6]。</p><p>　　在南方典型重污染城市內(nèi)河河水聯(lián)合生物處理技術(shù)研究中，對(duì)深圳市的污染嚴(yán)重的布吉河進(jìn)行

12、采樣研究，采用最大可能數(shù)法（MPN）測(cè)定布吉河生態(tài)系統(tǒng)中氮素循環(huán)相關(guān)菌群的數(shù)量分布，表明布吉河的水體和底泥中，氨化細(xì)菌都是優(yōu)勢(shì)菌群，菌群數(shù)量約為1012 MPN/mL。在各氮素循環(huán)相關(guān)菌群中，氨化細(xì)菌和反硝化細(xì)菌的菌群數(shù)量占優(yōu)勢(shì)地位，平均比硝化細(xì)菌的數(shù)量分別高105和102倍。最終結(jié)合布吉河中氮素循環(huán)相關(guān)菌群的生長(zhǎng)曲線及其活性，探討了河流中氮素的轉(zhuǎn)化和去除途徑，進(jìn)一步分析氮素污染的原因[7]。</p><p>　

13、　在謝文斐，楊開(kāi)勛等人沙溪水污染對(duì)微生物群落變化的影響中，對(duì)沙溪水污染環(huán)境中的細(xì)菌總數(shù)、真菌總數(shù)、纖維素降解菌數(shù)和淀粉降解菌數(shù)、亞硝化細(xì)菌數(shù)進(jìn)行了數(shù)量跟蹤，結(jié)果表明：各種微生物的數(shù)量變化與主要的有機(jī)污染物值之間存在顯著的相關(guān)性，所有的相關(guān)系數(shù)均大于0.7，表明微生物在降解與凈化中起著重要的作用，同時(shí)對(duì)水環(huán)境的污染狀況具有一定的指示作用；降解有機(jī)物的主要微生物的數(shù)量于COD 顯著相關(guān)，可作為該河段有機(jī)污染物水平的指標(biāo)[8]。</p&

14、gt;<p>　　1.3 氮元素轉(zhuǎn)化細(xì)菌數(shù)量研究的意義</p><p>　　NH4-N、NO2-N等N元素是污水中主要成分，是引起富營(yíng)養(yǎng)化的關(guān)鍵因素。硝化細(xì)菌能夠利用NH4-N、NO2-N等將其氧化成NO3-N[4]。硝化細(xì)菌作為湖泊水體脫氮作用的關(guān)鍵微生物，已被廣泛應(yīng)用于生物增強(qiáng)技術(shù)，即通過(guò)投加硝化細(xì)菌高效菌劑，用于工業(yè)廢水，生活污水，地表水等氨氮的去除。因此，在湖泊水體中，對(duì)該種具自凈功能的細(xì)菌

15、的研究具有重要的意義[5]。</p><p>　　反硝化作用在水體氮循環(huán)系統(tǒng)中起著重要的作用[9]。在這個(gè)過(guò)程中，反硝化細(xì)菌在乏氧的外界條件下，將硝酸鹽或亞硝酸鹽轉(zhuǎn)化為氮?dú)饣蛞谎趸尫诺酱髿庵?，減少了海水中的氮元素[10]。研究反硝化細(xì)菌及其多樣性，為微生物參與反硝化過(guò)程的調(diào)控作用、反硝化過(guò)程的時(shí)空耦合作用以及區(qū)域氮的生物地球化學(xué)循環(huán)模型的建立提供了重要的理論基礎(chǔ)，同時(shí)也為控制我國(guó)海岸帶富營(yíng)養(yǎng)化、赤潮等海洋環(huán)

16、境災(zāi)害提供了科學(xué)的依據(jù)[6]。</p><p>　　亞硝化細(xì)菌可以將環(huán)境中的氨氧化成亞硝酸鹽，常被用于作為檢測(cè)環(huán)境有機(jī)氮污染的指示菌[8]。</p><p>　　2 硝化細(xì)菌，反硝化細(xì)菌與自然界氮素轉(zhuǎn)化循環(huán)</p><p>　　近年來(lái)，我國(guó)近海海域污染日益惡化，水體富營(yíng)養(yǎng)化、赤潮呈增多趨勢(shì)，嚴(yán)重影響了海洋生態(tài)平衡，阻礙了海水養(yǎng)殖業(yè)的快速發(fā)展。據(jù)調(diào)查，氮素污染是造成這

17、些危害的主要因素之一。消除近海海域氮素污染成為減輕以上各種不良影響的重要任務(wù)。目前多采用生物法去除氮素。生物脫氮主要通過(guò)硝化作用和反硝化作用兩個(gè)過(guò)程完成，其中反硝化作用是反硝化細(xì)菌在缺氧條件下將硝酸鹽氮轉(zhuǎn)化為氮?dú)獾倪^(guò)程。這個(gè)過(guò)程將氮素從海水中去除，從根本上解決海水的氮污染。氮素循環(huán)如圖1，氮素循環(huán)生物反應(yīng)如表1。</p><p>　　圖1 氮素循環(huán)[2]</p><p>　　AM-氨化作用

18、： As-同化作用 ：D-反硝化作用：</p><p>　　F-生物固氮：N-硝化作用：R-異化性硝酸鹽還原作用</p><p>　　表1 氮素循環(huán)生物反應(yīng)[2]</p><p>　　3 氮元素轉(zhuǎn)化細(xì)菌應(yīng)用現(xiàn)狀</p><p>　　國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)于硝化細(xì)菌的種類、形態(tài)、代謝機(jī)理已進(jìn)行了多年研究，也有不少學(xué)者對(duì)硝化細(xì)菌進(jìn)行了分離提純、富集培養(yǎng)

19、。但大多數(shù)研究?jī)H限于開(kāi)發(fā)研究淡水硝化細(xì)菌，而對(duì)于海水中硝化細(xì)菌制劑的研發(fā)較少。</p><p>　　3.1 硝化細(xì)菌，反硝化細(xì)菌在養(yǎng)殖上的應(yīng)用</p><p>　　養(yǎng)殖業(yè)的迅猛發(fā)展，養(yǎng)殖規(guī)模越來(lái)越大，集約化、高密度人工養(yǎng)殖使得養(yǎng)殖水域污染日趨嚴(yán)重，導(dǎo)致病害頻繁發(fā)生，不僅造成了嚴(yán)重的經(jīng)濟(jì)損失，而且影響了水產(chǎn)品的質(zhì)量。為了有效去除養(yǎng)殖水體的氮污染物，近年來(lái)硝化細(xì)菌在國(guó)內(nèi)外的水產(chǎn)養(yǎng)殖領(lǐng)域也獲得了

20、廣泛的研究。H.Shan和J.P.Obbard等[11]用固定化的硝化細(xì)菌處理龍蝦養(yǎng)殖廢水，獲得了理想的效果。李秋芬[12]等使用氨氧化細(xì)菌、亞硝酸鹽氧化細(xì)菌等優(yōu)化組合成復(fù)合菌劑，并采用游離菌和生物膜法進(jìn)行了大菱鲆育苗水體的凈化試驗(yàn)，取得了較好的凈化效果。使養(yǎng)殖用水能夠循環(huán)利用，從而減少換水量。反硝化細(xì)菌的反硝化作用將亞硝酸鹽和硝酸鹽還原為NO、N2O，并最終變?yōu)镹2。在觀賞魚養(yǎng)殖水凈化上硝化細(xì)菌比光合細(xì)菌更有優(yōu)勢(shì)，使用硝化細(xì)菌不存在養(yǎng)

21、殖水體渾濁,綠色細(xì)菌貼附缸壁生長(zhǎng)的現(xiàn)象[13]。</p><p>　　3.2 硝化細(xì)菌在制革廢水中的應(yīng)用</p><p>　　制革廢水中含有較高的氨氮，但因其COD負(fù)荷及Cr3+、S2-的影響，氨氮治理工作還停留在以去除水中有機(jī)物和有害元素的階段，氨氮在廢水污染治理中沒(méi)有得到應(yīng)有的重視。隨著國(guó)家對(duì)環(huán)保問(wèn)題的日益重視，制革行業(yè)將面臨更加嚴(yán)峻的環(huán)保問(wèn)題，排放標(biāo)準(zhǔn)將更加嚴(yán)格，如氨氮指標(biāo)己列為某些

22、地區(qū)的制革廢水排放標(biāo)準(zhǔn)[14]。董翔等以“物化處理+生化處理”工藝對(duì)成都某制革廠的制革廢水進(jìn)行處理，在進(jìn)行氨氮吹脫以及氣浮之后，后段生化處理采用了ABR折板式厭氧池和SBR曝氣池，針對(duì)厭氧出水氨氮高達(dá)100㎎/L左右的情況，將SBR曝氣池活性污泥的培養(yǎng)分為2個(gè)階段:第l階段使污泥適應(yīng)此制革廢水，并使其對(duì)COD有較高的去除率；由于在污泥培養(yǎng)第1階段結(jié)束后氨氮去除率很低的情況沒(méi)有改變，因此，第2階段為硝化細(xì)菌培養(yǎng)階段，對(duì)SBR曝氣池活性污泥

23、的硝化細(xì)菌進(jìn)行培養(yǎng)馴化，使自養(yǎng)型的硝化細(xì)菌在DO為3㎎/L、pH為6.5一7.0的情況下逐漸增殖，活性加強(qiáng)，最終使得氨氮去除率達(dá)到85%一95%[15]。</p><p>　　3.3 反硝化細(xì)菌在地下水硝酸鹽污染的生物修復(fù)方面的應(yīng)用</p><p>　　王琳成功地從集約化蔬菜種植區(qū)地下水中分離并鑒定出一株農(nóng)桿菌，為了解硝酸鹽污染的地下水中脫氮微生物的生態(tài)、為進(jìn)一步開(kāi)戰(zhàn)地下水中硝酸鹽污染的原

24、位微生物修復(fù)和相關(guān)污水的生物處理提供了寶貴的菌種資源，對(duì)于經(jīng)濟(jì)、有效的解決地下水硝酸鹽污染和水資源短缺的問(wèn)題有著十分重要的意義[16]。</p><p>　　3.4 亞硝化細(xì)菌在生物濾池上的應(yīng)用</p><p>　　在好氧生物濾池中采用投加亞硝化細(xì)菌的生物強(qiáng)化技術(shù)，建立了好氧—缺氧兩級(jí)生物濾池處理城市污水處理廠二級(jí)出水的工藝，使生物濾池反應(yīng)器發(fā)生“短程硝化”和“同步硝化一反硝化”特征，最大

25、程度的節(jié)約能耗和實(shí)現(xiàn)總氮的去除[17]。</p><p><b>　　參考文獻(xiàn)</b></p><p>　　[1] 張明.硝化細(xì)菌應(yīng)用技術(shù)研究[D].華東師范大學(xué)博士學(xué)位論文, 2003,1-2.</p><p>　　[2] 趙昕.海水反硝化細(xì)菌富集培養(yǎng)及固定化研究[D].青島理工大學(xué)碩士學(xué)位論文, 2010,1-4.</p>&

26、lt;p>　　[3] 鄭福壽,陳紹銘.九龍江口和廈門市區(qū)沿岸水域反硝化細(xì)菌的分布[J].廈門大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版), 1984,23(4): 512-513.</p><p>　　[4] 陳立廣,樊景鳳,關(guān)道明等.遼河口沉積物中硝化細(xì)菌數(shù)量的時(shí)空變化分析[J].海洋環(huán)境科學(xué), 2010,29(2): 174-175.</p><p>　　[5] 李彬.富營(yíng)養(yǎng)化湖泊系統(tǒng)藻類水華與硝化細(xì)

27、菌種群作用關(guān)系的研究[D].華中農(nóng)業(yè)大學(xué)碩士學(xué)位論文, 2011,5-8.</p><p>　　[6] 樊景鳳,陳佳瑩,陳立廣等.遼河口沉積物反硝化細(xì)菌數(shù)量及多樣性的研究[J].海洋學(xué)報(bào), 2011,33(3): 94-101.</p><p>　　[7] 焦燕.南方典型重污染城市內(nèi)河河水聯(lián)合生物處理技術(shù)研究[D].哈爾濱工業(yè)大學(xué)博士學(xué)位論文, 2010,38-39.</p>

28、<p>　　[8] 謝文斐,楊開(kāi)勛,黃耀堅(jiān)等.沙溪水污染對(duì)微生物群落變化的影響[J].廈門大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版), 2005,44(2): 250-253.</p><p>　　[9] 楊家新.微生物生態(tài)學(xué)[M].北京:化學(xué)工業(yè)出版社, 2004: 53-54.</p><p>　　[10] KUMONY, SASAKIY, KATOI, et al. Codenitrific

29、at ion and denitrification are dual met abolic pathways through which dinitrogen envolvsfrom nitrite in Strep tomyces antibioticus[ J ].J Bacteriol, 2002,184: 2963-2968.</p><p>　　[11] H.Shan., J.P.Obbard. Am

30、monia removal from prawn Aquaculture water using immobilized nitrifying prawn aquaculture water using immobilized nitrifying bacteria [J]. Application Microbial Biotechnology, 2001,57: 791-798. </p><p>　　[12

31、] 李秋芬,張艷,王印庚.復(fù)合有益菌劑對(duì)工廠化大菱鲆育苗水凈化效果研究[J].水產(chǎn)學(xué)報(bào), 2006,30(6): 852-856.</p><p>　　[13] 孔小蓉.硝化細(xì)菌制劑對(duì)海水系統(tǒng)硝化功能建立的影響及相關(guān)因素分析[D].青島理工大學(xué)碩士學(xué)位論文, 2010,21-22.</p><p>　　[14] 溫少鵬.硝化細(xì)菌應(yīng)用基礎(chǔ)研究[D].青島理工大學(xué)碩士學(xué)位論文, 2008,11

32、-12.</p><p>　　[15] 董翔,鄂鐵軍.去除制革廢水氨氮的工程實(shí)例[J].工業(yè)安全與環(huán)保, 2006,32(5): 20-22.</p><p>　　[16] 王琳,李季,宋效宗等.集約化蔬菜種植區(qū)地下水中反硝化細(xì)菌的分離鑒定[J].生態(tài)環(huán)境, 2008,17(5): 2078-2081. </p><p>　　[17] 楊波.亞硝化細(xì)菌應(yīng)用于生物濾池