水體中的氮污染

水體中的氮污染

脫氮微生物在處理廢水中發(fā)揮著重要作用。污水中的含氮有機(jī)物經(jīng)過異養(yǎng)菌的氨化作用轉(zhuǎn)變?yōu)榘钡?再經(jīng)過硝化菌的硝化作用轉(zhuǎn)變?yōu)閬喯跛猁}氮和硝酸鹽氮,之后經(jīng)過反硝化微生物的作用將亞硝酸鹽氮或硝酸鹽氮還原為NO、N2O,最終轉(zhuǎn)變?yōu)镹2,排入到大氣,從而降低污染水中含氮污染物的濃度。反硝化微生物的作用在污水脫氮中占較重要地位,因此,有必要對(duì)其進(jìn)行深入研究。本文綜述了反硝化微生物的研究及應(yīng)用進(jìn)展。1微生物污染特性水體中的氮濃度超過了水體自凈能力,達(dá)到破壞水原有用途的程度,形成了水體氮污染。目前,水體的氮污染普遍存在于養(yǎng)殖水體、地下水及江河湖海等中。農(nóng)藥化肥等流失產(chǎn)生的廢水、養(yǎng)殖廢水、居民生活污水及工業(yè)廢水均會(huì)引起水體的氮污染。反硝化過程廣泛發(fā)生在自然界的各種環(huán)境中,如河流、湖泊、水庫、海洋、底泥沉積物、土壤等。反硝化微生物可降低污染水體中的含氮污染物濃度,削減因硝酸鹽或亞硝酸鹽的積累對(duì)生物的毒害作用,減少富營養(yǎng)化的發(fā)生機(jī)率,對(duì)于水質(zhì)保護(hù)有重要意義。由于各種生態(tài)區(qū)域環(huán)境條件不同,其反硝化微生物種類、反硝化速率及影響其生長的主要因素也不同。2反硝化細(xì)菌的主要種類反硝化細(xì)菌的種類很多,大約有50多個(gè)屬,130多個(gè)種。自然界最普遍的反硝化細(xì)菌有假單胞菌屬(Pseudomonaceae)、產(chǎn)堿桿菌屬(Alcaligenes),還有科奈瑟菌科(Neisseriaceae)、硝化細(xì)菌科(Nitrobacteraceae)、紅螺菌科(Rhodospirillaceae)、芽孢桿菌科(Bacillaceae)、纖維粘菌科(Cytophagaceae)、螺菌科(Spirillaceaee)、根瘤菌科(Rhizobiaceae)、鹽桿菌科(Halobacteriaceae)等。反硝化細(xì)菌的能源譜較廣,化學(xué)能(包括有機(jī)物質(zhì)和無機(jī)物質(zhì))和光能均可。其中有機(jī)物質(zhì)是自然界一些優(yōu)勢反硝化菌群的主要能源,在厭氧條件下進(jìn)行反硝化作用。一些研究發(fā)現(xiàn)反硝化過程也廣泛存在于真菌的半知菌綱、子囊菌綱和擔(dān)子菌綱,如鐮刀菌(Fusarium)、玉蜀黍赤霉(Gibberella)、木霉(Trichoderma)、光澤柱孢菌(Cylindrocarpon)、毛殼菌(Chaetomium)、青霉屬(Penicillium)、曲菌(Aspergillus)和漢遜酵母屬(Hansenula)及酵母菌。研究表明很多放線菌包括鏈霉菌屬(Streptomyces)和弗蘭克氏菌屬(Frankia)等也具有反硝化能力。近些年來,倍受關(guān)注和研究較多的主要有以下幾類。2.1微生物的活性傳統(tǒng)理論認(rèn)為,細(xì)菌的反硝化是一個(gè)嚴(yán)格的厭氧過程。氧氣存在時(shí),兼氧的反硝化細(xì)菌優(yōu)先使用溶氧呼吸,阻止了硝酸鹽或亞硝酸鹽作為最終電子受體。然而近二三十年來,發(fā)現(xiàn)在好氧條件下也存在反硝化作用,突破了傳統(tǒng)理論。Robertson和Kuenen最早提出好氧反硝化(aerobicdenitrification)理論,他們?cè)趯?shí)驗(yàn)室里觀察到在有氧條件下發(fā)生了反硝化現(xiàn)象。20世紀(jì)80年代,Robertson等報(bào)道了好氧反硝化細(xì)菌和好氧反硝化酶系的存在,證實(shí)了泛硫球菌Thiosphaerapantotropha(現(xiàn)更名為脫氮副球菌Paracoccusdenitrifications)在生長過程中,O2和NO3-共同存在時(shí),其生長速率比兩者單獨(dú)存在時(shí)都高。目前,已報(bào)道的好氧反硝化微生物有芽孢菌屬(bacillus)、產(chǎn)堿菌屬(Alcaligenes)、副球菌屬(Paracoccus)、克雷伯菌屬(Klebsiella)、蒼白桿菌屬(Ochrobactrum)、動(dòng)膠菌屬(Zoogloea)、假單胞菌屬(Pseudomonas)、生絲微菌屬(HyphomicrobiumX)、土壤桿菌屬(Agrobacterium)、黃桿菌屬(Eubacterium)、丙酸桿菌屬(Propionibacterium)、芽生桿菌屬(Blastobacter)、鹽桿菌屬(Halobacterium)和根瘤菌屬(Rhizobium)等。近些年來人們不斷地在實(shí)際工程中發(fā)現(xiàn)好氧條件下的脫氮現(xiàn)象,如Pochana在SBR反應(yīng)器中觀察到了95%的總氮去除率。Frette等從間歇厭氧/好氧污水處理池中分離出16株反硝化細(xì)菌,它們無論是在好氧條件還是在厭氧條件下都具有反硝化作用。目前發(fā)現(xiàn)一些其它細(xì)菌也有好氧反硝化作用。2004年,張亞光等發(fā)現(xiàn)紅球菌屬(Rhodococcus)也存在好氧反硝化現(xiàn)象;新菌株嗜熱芽寡養(yǎng)單胞菌(Stenotrophomonasmaltophilia),在氧氣存在的情況下,亞硝酸鹽去除活性較高,10h內(nèi)由26.18mg/L降至0。目前,越來越多的研究證明細(xì)菌好氧反硝化的存在,并發(fā)現(xiàn)了一些具有較高反硝化效率的細(xì)菌。見表1。好氧反硝化微生物具有一些優(yōu)勢:它可以使硝化和反硝化作用同時(shí)進(jìn)行,硝化的產(chǎn)物可直接作為反硝化的底物,避免了硝酸鹽和亞硝酸鹽的積累對(duì)反硝化作用的抑制,加速了硝化-反硝化的進(jìn)程,且反硝化釋放的堿可以部分補(bǔ)償硝化反應(yīng)所消耗的堿,能使系統(tǒng)中的pH值相對(duì)穩(wěn)定;好氧反硝化菌(多為異養(yǎng)硝化菌)可將氮在好氧條件下直接轉(zhuǎn)化為氣態(tài)產(chǎn)物,且反應(yīng)可由單一反應(yīng)器一步完成,降低了操作難度和運(yùn)行成本;大部分反硝化菌能適應(yīng)厭氧(或缺氧)周期變化,在有氧、缺氧交替時(shí)具有生態(tài)生長優(yōu)勢;其生長速度快,產(chǎn)量高,要求的溶解氧濃度低,能在偏酸性環(huán)境中生長;好氧反硝化菌的分布較為廣泛,可從不同的環(huán)境中,如土壤、池塘、溝渠以及活性污泥中分離得到。由于好氧反硝化細(xì)菌在環(huán)境中的特殊意義,對(duì)其研究受到廣泛關(guān)注。2.2其他微生物碳源近些年來發(fā)現(xiàn)一些自養(yǎng)細(xì)菌能夠利用一些無機(jī)物(CO2,HCO3-)在氧化過程中釋放出來的能量將硝酸鹽還原,進(jìn)行反硝化作用,這類細(xì)菌稱為自養(yǎng)反硝化細(xì)菌,如脫氮硫桿菌(Thiobacillusdenitrificans)、反硝化硫微螺菌(Thiomicrospiradenitrificans)、亞硝化單胞菌屬(Nitrosomonas)、布蘭漢氏菌屬(Branhamellacatarrhalis)、奈氏球菌屬(Gemisoceanospirllum),得到廣泛的應(yīng)用。Vidal通過平行對(duì)比實(shí)驗(yàn)得出自養(yǎng)反硝化脫氨氮的速率是異養(yǎng)反硝化的兩倍,在異養(yǎng)反硝化的反應(yīng)器中投加甲醇作為碳源后其脫氨氮的速率才與自養(yǎng)反硝化的相當(dāng)。Koenig等研究反硝化泛硫球菌的自養(yǎng)反硝化過程,發(fā)現(xiàn)在氧化單質(zhì)硫?yàn)榱蛩猁}的同時(shí)還生成氮?dú)?并產(chǎn)生菌體代謝所需要的有機(jī)碳源。Sliekers等研究表明添加額外的碳源對(duì)于實(shí)現(xiàn)自養(yǎng)反硝化產(chǎn)生氮?dú)鉀]有必要。自養(yǎng)反硝化更適合低C/N的水體。自養(yǎng)反硝化與異養(yǎng)反硝化相比有兩大優(yōu)點(diǎn):自養(yǎng)反硝化不需要投加有機(jī)物作為碳源,降低污水處理的成本;只產(chǎn)生極少量的污泥,可使污泥的處理量降低到最低。因此,自養(yǎng)反硝化細(xì)菌在污水脫氮中具有重要的意義。2.3反硝化除磷廢水處理技術(shù)反硝化聚磷菌(DenitrifyingPhosphateAccumulatingOrganisms,DNPAOs)能在缺氧條件下,以硝酸鹽為電子受體,同步完成反硝化(脫氮)和過量吸磷(除磷)過程,是反硝化除磷廢水處理技術(shù)的有效菌。反硝化脫磷具有不需要碳源,吸磷時(shí)不需曝氣,不需要厭氧和好氧的相互交替,且排泥量少等優(yōu)點(diǎn)。近年來,反硝化除磷技術(shù)成為廢水生物處理技術(shù)領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。2006年,王春麗等采用吸磷、硝酸鹽還原產(chǎn)氣實(shí)驗(yàn)及異染顆粒和PHB顆粒染色輔助檢驗(yàn)組合的篩選方法,篩選出高效反硝化聚磷菌H6、H19、H24和Xg。經(jīng)鑒定,前三者屬于假單胞菌屬(Pseudomonas),后者屬于腸桿菌屬(Enterobacter)。2.4異養(yǎng)硝化菌的檢測某些反硝化菌也同時(shí)具有硝化作用,如熒光假單胞菌(Pseudomonasfluorescens)、銅綠假單菌(Pseudomonasaeruginosa)、糞產(chǎn)堿菌(Alcaligenesfacecalis)、致黃色假單胞菌(Pseudomonasaureofaciens)、銅綠假單胞菌(Pseudomonasaeruginosa)等都可以進(jìn)行異養(yǎng)硝化。AnshumanA.等從污水處理廠活性污泥中分離得到8株Diaphorobacte屬的菌株均具有同時(shí)硝化反硝化作用。2.5嗜鹽反硝化細(xì)菌pseudomras某些反硝化作用微生物在特殊環(huán)境下,如低溫、高鹽等條件下也能夠起作用。王春麗等分離篩選出在低溫下(8℃)仍具有高效能的一株反硝化聚磷菌H16,經(jīng)鑒定屬于假單胞菌(Pseudomonas)。嗜鹽反硝化細(xì)菌的種類較少,主要包括古細(xì)菌中的鹽盒菌屬(Haloarcula)、鹽桿菌屬(Halobacterium)、富鹽菌屬(Haloferax)、細(xì)菌中的鹽單胞菌屬(Halomonas)及芽孢菌屬(Bacillus)等幾個(gè)屬的某些種。不同種類反硝化微生物具有不同特性,在環(huán)境中各有優(yōu)點(diǎn),對(duì)其特有的功能進(jìn)行深入研究有著重要意義。3菌株對(duì)硝酸鹽脫氮效果的影響20世紀(jì)80年代中期以來,人們分離出了一些反硝化作用微生物。表1列舉了一些典型和新發(fā)現(xiàn)的反硝化菌及其脫氮效果。表1中菌株對(duì)于硝酸鹽氮或亞硝酸鹽氮濃度均有降低作用。由于菌株本身脫氮能力不同,初始物形式、初始濃度和脫氮條件也不同,因此,脫氮的效率也存在差異,而且很難比較菌株脫氮效率的高低,但表1可作為菌株篩選的參考。4antotropho催化的no3-、no2-、no、no活性及金屬酶系統(tǒng)反硝化作用是反硝化微生物利用一系列酶將硝酸鹽氮或亞硝酸鹽氮還原成N2O或N2的過程。T.pantotropho的電子傳遞蛋白能在有氧條件下以此催化還原NO3-、NO2-、NO、N2O生成N2,這一報(bào)道引起了眾多研究者的關(guān)注。人們紛紛對(duì)好氧反硝化細(xì)菌的各種反硝化酶進(jìn)行研究,其過程分別由硝酸還原酶、亞硝酸還原酶、一氧化氮還原酶和一氧化二氮還原酶催化完成。見表2。5dea與反硝化速率反硝化作用能力較為常用的衡量指標(biāo)是反硝化勢(DP,DenitrificationPotential)和反硝化酶活性(DEA,DenitrifyingEnzymeActivity),通過它們來衡量微生物和包含反硝化微生物的環(huán)境如土壤、水域、底泥等的反硝化能力。DP是指反硝化微生物(或含有反硝化微生物的樣品)在一定時(shí)間內(nèi)產(chǎn)生的反硝化產(chǎn)物(N2O和N2)的多少。它實(shí)際上反映的是樣品中能夠進(jìn)行反硝化作用微生物的多少,可用來衡量進(jìn)行反硝化作用的潛在能力或樣品可能具有最大的反硝化速率。DEA是測定樣品中反硝化酶活性大小的指標(biāo),通過測定反硝化產(chǎn)物的生成速率來確定反硝化酶活。為防止微生物的生長,往往采用加入氯霉素的方法來抑制微生物的生長(氯霉素不抑制微生物的反硝化酶活性)。二者在方法上的主要區(qū)別在于時(shí)間的長短。DP測定時(shí)間較長,測定數(shù)小時(shí)到幾十小時(shí)內(nèi)反硝化產(chǎn)物的生成,因此需要添加較多的碳源來維持硝酸的還原。而DEA測定則僅在幾十分鐘至數(shù)個(gè)小時(shí)內(nèi)進(jìn)行,測定的主要目的是樣品現(xiàn)時(shí)狀態(tài)下的反硝化能力,不需要添加太多碳源。目前為止已經(jīng)建立了多種測定反硝化速率的方法。主要包括:(1)C2H2抑制法。C2H2抑制法是通過添加C2H2抑制N2O進(jìn)一步還原為N2,通過測定N2O的累積量來計(jì)算反硝化速率。這種方法的特點(diǎn)是簡便、靈敏、成本低。但是這種方法也存在著一些缺點(diǎn),它在NO3-濃度低的情況下,C2H2對(duì)N2O還原為N2的抑制作用是不完全的,并且硫化物的存在會(huì)削弱C2H2的抑制作用;而且,C2H2抑制法計(jì)算出來的反硝化速率也忽視了耦合硝化/反硝化作用,因此反硝化速率的計(jì)算結(jié)果會(huì)偏低;(2)N2產(chǎn)量測定法。此法的優(yōu)點(diǎn)是測定的反硝化速率中包括了耦合硝化/反硝化作用。其缺點(diǎn)是反硝化作用產(chǎn)生的N2量很少(相對(duì)于來自大氣環(huán)境中的N2),這會(huì)對(duì)反硝化速率的測定產(chǎn)生很大的干擾;(3)15N同位素示蹤技術(shù)(IPT),15N同位素能夠同時(shí)測定硝化作用、NO3-異化還原為NH4+的作用、N礦化及來自水體和沉積物的反硝化作用,但是這種方法必須滿足四個(gè)條件:加入的15NO3-必須和水體及沉積物中14NO3-混合均勻,加入的15NO3-不能改變實(shí)際反硝化速率,加入的同位素的量可以忽略,14NO3和15NO3-擴(kuò)散速率相同。如果實(shí)際情況和這四個(gè)條件不相符測定的反硝化速率會(huì)存在偏差;(4)膜直接進(jìn)樣技術(shù)(MIMS);(5)15N-NO3-稀釋法;(6)NO3-消耗量測定法;(7)N質(zhì)量平衡法(根據(jù)氮輸入和輸出之間的差值預(yù)測脫氮速率);(8)孔隙水剖面的成巖模式法;(9)微電極法(O2/N2O微電極與乙炔抑制劑的連用或硝酸鹽微電極測定)。在以上這些方法中,C2H2抑制方法和同位素示蹤技術(shù)是比較常用的方法。6環(huán)境微生物研究據(jù)統(tǒng)計(jì),目前人們能夠培養(yǎng)的微生物不足環(huán)境微生物總量的3%。近些年來,分子生物學(xué)和現(xiàn)代生物技術(shù)的迅速發(fā)展推動(dòng)著環(huán)境微生物學(xué)的發(fā)展,人們逐漸通過分子生態(tài)學(xué)技術(shù)深入研究環(huán)境微生物。如RFLP技術(shù)用于研究環(huán)境反硝化微生物多樣性;用DGGE技術(shù)研究反硝化微生物nirK、nirS、nosZ基因多樣性;反轉(zhuǎn)錄PCR及定量PCR技術(shù)研究環(huán)境反硝化微生物的數(shù)量,GC-FAME、FISH及16SrRNA等技術(shù)也均被用于反硝化微生物遺傳多樣性研究。7污水中反硝化微生物的應(yīng)用展望工業(yè)廢水、生活污水的排放及農(nóng)業(yè)面源污染等原因造成的水體污染,引起了地下水物質(zhì)含量超標(biāo)和地表水的富營養(yǎng)化等現(xiàn)象。其中,氮的污染已成為人們倍受關(guān)注的問題,生物脫氮也成為人們研究和應(yīng)用的熱點(diǎn)。反硝化作用是生物脫氮過程的關(guān)鍵一步。因此,對(duì)反硝化微生物進(jìn)行深入研究有著重要的意義。筆者認(rèn)為關(guān)于反硝化微生物的研究,還有一些問題有待進(jìn)一步解決:(1)在理論上,仍需深入研究反硝化聚磷菌的脫氮除磷機(jī)理及相關(guān)酶的機(jī)制,并深入探討其用于實(shí)際處理富含氮磷污水的新工藝。(2)大