排污口氮元素轉化細菌數(shù)量的研究現(xiàn)狀和意義【文獻綜述】

1、<p><b>　　畢業(yè)論文文獻綜述</b></p><p><b>　　生物工程</b></p><p>　　排污口氮元素轉化細菌數(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。生物脫氮主要通過硝化作用

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

3、菌概況</p><p>　　硝化細菌（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，它們能夠通過硝化作用把氨氮轉化為亞硝酸鹽，再進一步把亞硝酸鹽轉化為硝酸鹽。硝化細菌是歷史上最早發(fā)現(xiàn)的表現(xiàn)為化能無機自養(yǎng)型的微生物，Winogradsky通過實驗證明了這種細菌能以CO2為唯一碳源而產(chǎn)生有機物質及細胞[1]。</p><p>　　反硝化

4、過程實質上是一個硝酸鹽的生物還原過程。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）被用于合成細胞物質；而在異化性硝酸鹽還原中，產(chǎn)物（氨或氮氣）不被用于合成細胞物質。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（主要是氮氣）。第

5、一條途徑正好與硝化作用相反，因此是“名副其實”的反硝化作用。但由于歷史原因，人們沒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（NO3-→NO2-→NO→N2O→N2），涉及的氣態(tài)氮化物有NO，N2O和N2。因為NO對生物有劇毒，以NO為最終產(chǎn)物的細菌往往難以存活，所以通常把

6、能夠還原硝酸鹽或亞硝酸鹽，產(chǎn)生N2O或N2的細菌，稱為反硝化細菌[2]。</p><p>　　1.2 排污口氮元素轉化細菌的數(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)沿岸水域反硝化細菌的分布，對夏門港船塢排污口、客運碼頭排污口和華僑中學附近的生活污溝水進行研究，發(fā)現(xiàn)生活污溝水中的反硝化細菌數(shù)量比港灣、河口中的數(shù)量多的多，多達750萬個細菌菌∕毫升，等于前

7、面表層水中測定結果的最高測數(shù)（350萬個細菌/毫升）2倍以上；污水中最低測數(shù)也有25萬個細菌/毫升，比對其他站所測的最低數(shù)（250個細菌/毫升）高三個數(shù)量級。這說明了生活污溝水中含有足夠量的被反硝化細菌所利用的營養(yǎng)物質[3]。</p><p>　　在遼河口沉積物中硝化細菌數(shù)量的時空變化分析中，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個航次

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

9、t;<p>　　在富營養(yǎng)化湖泊系統(tǒng)藻類水華與硝化細菌種群作用關系的研究中，運用Real-time PCR定量分析技術對污染的紫陽湖，水果湖，菱角湖中對硝化細菌，各氮素，葉綠素測數(shù)，對紫陽湖，水果湖，菱角湖中硝化細菌定量分析。說明三湖中藻類與硝化細菌的相互關系，并模擬體系藻類的生長抑制硝化作用。</p><p>　　Gerda Harms等研究者利用Real-Time PCR(探針法)方法系統(tǒng)測定了周

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

11、遼河口沉積物反硝化細菌數(shù)量及多樣性的研究中，對遼寧省遼河入?？谶M行調查，反硝化細菌的數(shù)量從河口上游至深海區(qū)呈逐漸降低趨勢，春季反硝化細菌數(shù)量最多，秋季次之，夏季最低。此研究中的有些細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，但是與其親緣關系較遠，由此推測反硝化細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河河水聯(lián)合生物處理技術研究中，對深圳市的污染嚴重的布吉河進行

12、采樣研究，采用最大可能數(shù)法（MPN）測定布吉河生態(tài)系統(tǒng)中氮素循環(huán)相關菌群的數(shù)量分布，表明布吉河的水體和底泥中，氨化細菌都是優(yōu)勢菌群，菌群數(shù)量約為1012 MPN/mL。在各氮素循環(huán)相關菌群中，氨化細菌和反硝化細菌的菌群數(shù)量占優(yōu)勢地位，平均比硝化細菌的數(shù)量分別高105和102倍。最終結合布吉河中氮素循環(huán)相關菌群的生長曲線及其活性，探討了河流中氮素的轉化和去除途徑，進一步分析氮素污染的原因[7]。</p><p>　

13、　在謝文斐，楊開勛等人沙溪水污染對微生物群落變化的影響中，對沙溪水污染環(huán)境中的細菌總數(shù)、真菌總數(shù)、纖維素降解菌數(shù)和淀粉降解菌數(shù)、亞硝化細菌數(shù)進行了數(shù)量跟蹤，結果表明：各種微生物的數(shù)量變化與主要的有機污染物值之間存在顯著的相關性，所有的相關系數(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，同時對水環(huán)境的污染狀況具有一定的指示作用；降解有機物的主要微生物的數(shù)量于COD 顯著相關，可作為該河段有機污染物水平的指標[8]。</p&

14、gt;<p>　　1.3 氮元素轉化細菌數(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，是引起富營養(yǎng)化的關鍵因素。硝化細菌能夠利用NH4-N、NO2-N等將其氧化成NO3-N[4]。硝化細菌作為湖泊水體脫氮作用的關鍵微生物，已被廣泛應用于生物增強技術，即通過投加硝化細菌高效菌劑，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，對該種具自凈功能的細菌

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]。在這個過程中，反硝化細菌在乏氧的外界條件下，將硝酸鹽或亞硝酸鹽轉化為氮氣或一氧化二氮釋放到大氣中，減少了海水中的氮元素[10]。研究反硝化細菌及其多樣性，為微生物參與反硝化過程的調控作用、反硝化過程的時空耦合作用以及區(qū)域氮的生物地球化學循環(huán)模型的建立提供了重要的理論基礎，同時也為控制我國海岸帶富營養(yǎng)化、赤潮等海洋環(huán)

16、境災害提供了科學的依據(jù)[6]。</p><p>　　亞硝化細菌可以將環(huán)境中的氨氧化成亞硝酸鹽，常被用于作為檢測環(huán)境有機氮污染的指示菌[8]。</p><p>　　2 硝化細菌，反硝化細菌與自然界氮素轉化循環(huán)</p><p>　　近年來，我國近海海域污染日益惡化，水體富營養(yǎng)化、赤潮呈增多趨勢，嚴重影響了海洋生態(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。目前多采用生物法去除氮素。生物脫氮主要通過硝化作用和反硝化作用兩個過程完成，其中反硝化作用是反硝化細菌在缺氧條件下將硝酸鹽氮轉化為氮氣的過程。這個過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[2]</p><p>　　3 氮元素轉化細菌應用現(xiàn)狀</p><p>　　國內外學者對于硝化細菌的種類、形態(tài)、代謝機理已進行了多年研究，也有不少學者對硝化細菌進行了分離提純、富集培養(yǎng)

19、。但大多數(shù)研究僅限于開發(fā)研究淡水硝化細菌，而對于海水中硝化細菌制劑的研發(fā)較少。</p><p>　　3.1 硝化細菌，反硝化細菌在養(yǎng)殖上的應用</p><p>　　養(yǎng)殖業(yè)的迅猛發(fā)展，養(yǎng)殖規(guī)模越來越大，集約化、高密度人工養(yǎng)殖使得養(yǎng)殖水域污染日趨嚴重，導致病害頻繁發(fā)生，不僅造成了嚴重的經(jīng)濟損失，而且影響了水產(chǎn)品的質量。為了有效去除養(yǎng)殖水體的氮污染物，近年來硝化細菌在國內外的水產(chǎn)養(yǎng)殖領域也獲得了

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]等使用氨氧化細菌、亞硝酸鹽氧化細菌等優(yōu)化組合成復合菌劑，并采用游離菌和生物膜法進行了大菱鲆育苗水體的凈化試驗，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)殖水凈化上硝化細菌比光合細菌更有優(yōu)勢，使用硝化細菌不存在養(yǎng)

21、殖水體渾濁,綠色細菌貼附缸壁生長的現(xiàn)象[13]。</p><p>　　3.2 硝化細菌在制革廢水中的應用</p><p>　　制革廢水中含有較高的氨氮，但因其COD負荷及Cr3+、S2-的影響，氨氮治理工作還停留在以去除水中有機物和有害元素的階段，氨氮在廢水污染治理中沒有得到應有的重視。隨著國家對環(huán)保問題的日益重視，制革行業(yè)將面臨更加嚴峻的環(huán)保問題，排放標準將更加嚴格，如氨氮指標己列為某些

22、地區(qū)的制革廢水排放標準[14]。董翔等以“物化處理+生化處理”工藝對成都某制革廠的制革廢水進行處理，在進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，針對厭氧出水氨氮高達100㎎/L左右的情況，將SBR曝氣池活性污泥的培養(yǎng)分為2個階段:第l階段使污泥適應此制革廢水，并使其對COD有較高的去除率；由于在污泥培養(yǎng)第1階段結束后氨氮去除率很低的情況沒有改變，因此，第2階段為硝化細菌培養(yǎng)階段，對SBR曝氣池活性污泥

23、的硝化細菌進行培養(yǎng)馴化，使自養(yǎng)型的硝化細菌在DO為3㎎/L、pH為6.5一7.0的情況下逐漸增殖，活性加強，最終使得氨氮去除率達到85%一95%[15]。</p><p>　　3.3 反硝化細菌在地下水硝酸鹽污染的生物修復方面的應用</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)、為進一步開戰(zhàn)地下水中硝酸鹽污染的原

24、位微生物修復和相關污水的生物處理提供了寶貴的菌種資源，對于經(jīng)濟、有效的解決地下水硝酸鹽污染和水資源短缺的問題有著十分重要的意義[16]。</p><p>　　3.4 亞硝化細菌在生物濾池上的應用</p><p>　　在好氧生物濾池中采用投加亞硝化細菌的生物強化技術，建立了好氧—缺氧兩級生物濾池處理城市污水處理廠二級出水的工藝，使生物濾池反應器發(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)約能耗和實現(xiàn)總氮的去除[17]。</p><p><b>　　參考文獻</b></p><p>　　[1] 張明.硝化細菌應用技術研究[D].華東師范大學博士學位論文, 2003,1-2.</p><p>　　[2] 趙昕.海水反硝化細菌富集培養(yǎng)及固定化研究[D].青島理工大學碩士學位論文, 2010,1-4.</p>&

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