硝化杆菌(Nitrobacte)和硝化螺菌(Nitrospira)在脱氮系统中的研究进展

史文燕，张健

(兰州交通大学 环境与市政工程学院，甘肃 兰州 730070)

NOB属已知的有7种，分别是硝化杆菌属(Nitrobacter)、硝化螺菌属(Nitrospira)、(Nitrotoga),硝化球菌属(Nitrococcus)、硝化刺菌属(Nitrospina)、‘CandidatusNitromaritima’、Nitrolancea[1]。其中Nitrobacter和Nitrospira是在污水厂里最广泛存在的两种NOB属，它们依次属于变形杆菌门(PhylumProteobacteria)和硝化螺菌门(PhylumNitrospira)[2-3]。Nitrobacter最早是从污水厂中分离培养出来的，所以很长一段时间内，它都被认为是污水处理厂中NOB群落的优势菌[4]。然而，随着分子生物技术的不断利用和发展，许多学者对硝化菌的种群结构进行更深入研究发现Nitrospira具有更强的代谢活性[5]，其对基质的亲和力大，在氨氮浓度较低的环境中更具竞争优势[6]。另外，Nitrobacter和Nitrospira在亚硝酸盐氧化的过程中能够一起生存并表现出协同作用[7]。

1 Nitrobacter和 Nitrospira的生理形态特征

Nitrobacter和Nitrospira是具有高度多样性的化能自养细菌且广泛的分布在淡水、土壤和污水污泥等多种环境中。与其他NOB属一样，Nitrobacter和Nitrospira较难培育，获得的培养物也难以继续维持，而且这些细菌的生理特性还不完全清楚。因此后续关于生理学方面的研究仍然具有很大的困难[8]。

2 Nitrobacter与Nitrospira之间的竞争

表1 硝化杆菌和硝化螺菌的动力学参数比较Table 1 Comparison of kinetic parameters of Nitrobacter and Nitrospira

表2 生物废水处理系统中硝化杆菌和硝化螺菌主要竞争条件的比较Table 2 Comparison of the main conditions of competition between Nitrobacter and Nitrospira in the biological wastewater treatment system

3 硝化脱氮系统中影响Nitrobacter和Nitrospira活性和丰度的主要因素

3.1 溶解氧

DO通过影响传质速率从而对NOB丰度活性造成影响。研究结果显示Nitrobacter和Nitrospira活性的最适DO浓度范围不同[18-19]。有研究表明，当DO 浓度>1.0 mg/L时，Nitrobacter的含量大于Nitrospira的含量；然而，当DO 浓度<1.0 mg/L时，则会是相反的结果[7，20]。Roots等[21]研究表明在SBR反应器(DO=0.2～1 mg/L)中Nitrospira含量达到了总微生物相对数量的53%。在长期运行的SBR反应器中(DO=0.5～1.0 mg/L)，Park等[13]观察到Nitrospira的基因拷贝数从7.0×107±1.2×106gen copies/mL增加到7.7×108±7.5×107gen copies/mL。当DO浓度从3 mg/L逐渐降低至0.5 mg/L 在SBR反应器中运行了114 d，观察到Nitrospira丰度从2.07 × 109增加到 9.19 × 1010copies/g MLSS[22]。

Nitrobacter的氧利用率[OUR=289 mg/(g VSS·h)]远远大于Nitrospira[OUR=32 mg/(g VSS·h)]氧利用率[23]。当DO浓度在5～6 mg/L时，Nitrobacter的含量比Nitrospira的含量高出几个数量级[24]。在曝气阶段，溶解氧从1.7 mg/L减少至1.0 mg/L，使优势菌从Nitrobacter变成Nitrospira[25]。这说明低浓度DO有利于Nitrospira的生长和繁殖但会对Nitrobacter的活性有抑制作用。

3.2 温度

众所周知，硝化反应速率随着温度的变化而变化，但太高的温度会抑制硝化细菌的活性，从而降低硝化反应速率。跟其他细菌一样，Nitrobacter和Nitrospira对温度也很敏感，有学者研究表明，在纯培养的条件下，Nitrobacter和Nitrospira最佳的温度范围分别是30～45 ℃和30～35 ℃[7，15，26]。

在25 ℃的SBR反应器长期运行中，Nitrobacter的数量占总微生物数量的40.3%[27]。研究温度(14～40 ℃)对Nitrospira的短期影响，结果表明 OUR从11 mg/(gVSS·h)增加到32 mg/(gVSS·h)当温度在14～35 ℃之间，而在35～40 ℃之间，Nitrospira活性几乎下降了2倍[15]。Nitrobacter和Nitrospira之间在温度方面的区别，在与Nitrospira对高于35 ℃的高温更加敏感。上述关于温度对Nitrobacter和Nitrospira影响的研究表明，与Nitrobacter相比，Nitrospira对温度适应范围小且更适合较低温。

3.3 pH

pH对Nitrobacter和Nitrospira的影响主要是因为高的pH会导致FA含量的增加从而抑制它们的活性。Nitrospira的最佳pH范围是8～8.3[15]。而Nitrobacter的最佳pH范围是7.6～8.0[28]，在5个间歇曝气硝化反应器中设置一样的pH值(7.6～7.8)，结果显示在所有反应器中Nitrospira是NOB的优势菌且占总NOB菌群的73%以上[29]。这说明Nitrospira对高pH具有更高的亲和力。

3.4 FA和FNA

众所周知，FA和FNA对活性污泥组成成分有重要影响。当FA 和FNA的浓度分别为6.5 mg/L和0.002 mg/L时，完全抑制了NOB 的活性[30]。但相反的结果显示在FA的浓度为14.8 mgN/L时，对NOB的抑制作用不明显[18，31]。FA和FNA对纯培养的Nitrospira的抑制阈值分别为0.04～0.08 和0.03 mgN/L，对Nitrobacter的抑制浓度分别是10 mgN/L和0.2～0.4 mgN/L[7，32]，但Blackburne等[23]研究结果表明，FA对Nitrobacter的抑制浓度是50 mgN/L。对Nitrospira来说，低浓度FA(18～25 mg/L)的抑制作用不明显，而高浓度FA(36～50 mg/L)造成了负面的影响[33]。上述结果说明Nitrospira对于低浓度的FA和FNA 更加敏感。另外FA和FNA抑制值的变化可能是由于实验条件不同以及存在不同种类的亚硝酸盐氧化剂所导致。鉴于FA和FNA对Nitrobacter和Nitrospira的抑制作用差异很大，这在今后的研究中也是非常重要的。

4 结论与展望

(1)利用先进的分子生物学技术(PCR技术与DGGE 等)以及生物信息学的方法,对Nitrobacter和Nitrospira进行定性和定量分析，构建能够获得nxr基因，这样就能够快速、简便地确定了Nitrobacter和Nitrospira菌株。进一步从环境中筛选出来，并研究其生理生化和其遗传学特性，获得高效的亚硝酸盐氧化菌株。

(2)从宏观上进一步研究各种环境因素和抑制剂对Nitrobacter和Nitrospira的活性影响,以及产生影响的原因,从微观上探讨及其作用机理,以期找到提高活性的最有效途径。为根治我国严峻的氨氮污染作出贡献。