水体中DNRA与反硝化之间竞争研究进展

刘 祯 ， 郑志宏,2*

(1.华北水利水电大学 环境与市政工程学院 ， 河南 郑州 450046 ； 2.河南水利与环境职业学院 ， 河南 郑州 450008)

硝酸盐和亚硝酸盐是水中常见的两种污染物，它们的危害可以通过异化硝酸盐还原为铵(DNRA)消除[3]。为了最大限度地回收废水中的氮，DNRA可以均匀地将硝酸盐/亚硝酸盐转化为铵，使得所有氮都以铵态氮为唯一形式存在。随后，可以通过沉淀回收、膜法、过滤、吸附剥离、生物电化学回收和其他技术，从废水中有效地回收铵。因此，利用DNRA可以达到回收废水中所有无机氮的目的。DNRA是废水中氮源高效回收不可或缺的一步，也有利于减少传统铵生产过程中的空气污染，防止土壤中氮肥流失。

图1 氮素循环图

1 DNRA

1.1 DNRA的反应机制

(1)

(2)

DNRA反应过程分两步：①硝酸盐还原为亚硝酸盐；②亚硝酸盐在DNRA细菌体内酶的作用下还原为氨。

1.2 DNRA菌体的分类

DNRA是由一组不同的异养和厌氧化学自养细菌进行的两步过程，但大部分的DNRA菌都是异养型，需要外部碳源来提供电子供体[8]。根据呼吸作用的不同，也可以分为微好氧菌、好氧菌、兼性厌氧菌和厌氧细菌，DNRA菌多数为厌氧状态。

DNRA细菌分类：①微好氧菌有痰弯曲杆菌；②好氧菌有假单胞菌、微黄奈瑟球菌、专性嗜碱芽孢杆菌；③兼性厌氧菌有大肠杆菌、柠檬酸杆菌、鼠伤寒沙门氏菌、克雷伯氏菌、产气肠杆菌、黏质沙雷氏菌、欧文氏杆菌、费氏发光杆菌、海洋弧菌；④厌氧菌有梭状芽孢杆菌、产碱韦荣菌、产琥珀酸沃林氏菌、巨型脱硫弧菌、脱硫弧菌、反刍月形单胞菌、地杆菌[9]。

2 DNRA过程与反硝化过程的竞争

在污水处理系统里，DNRA过程和反硝化过程都需要低氧化还原电位环境和足够的有机碳源来支持，这就证明DNRA过程与反硝化过程存在协同的环境条件；但是DNRA过程和反硝化过程的最终产物不同，DNRA功能菌和反硝化菌会对底物进行争夺。影响DNRA与反硝化过程竞争的主要因素有电子供体/电子受体、氮源种类、污泥龄、温度和pH值[10]。FAZZOLARI等[11]研究了氧分压对土壤中DNRA作用的影响，并提出在微氧条件下，DNRA菌比反硝化菌具有更强的适应能力。

3 DNRA的影响因素

在废水处理中DNRA和反硝化之间存在对氮的竞争关系。这两种反应都需要碳源，有的需要有机碳，有的需要无机碳，需要在厌氧或者微氧的条件。

3.1 氧化还原电位

3.2 碳氮比

3.3 铁离子

添加低水平的Fe2+，相当于自然条件，会增加DNRA作用，在某些污水中，反硝化作用会同时下降。但是，向污水中加入高水平的Fe2+在很大程度上降低了反硝化作用，同时增加了DNRA。

3.4 硫化物

3.5 细菌的生长速率

3.6 DNRA的生物能学

生物能学是评估细菌在相同厌氧环境条件下对一种硝酸盐异化途径相对于另一种途径的偏好标准之一。STROHM等[14]计算了通过不同需氧和厌氧途径进行葡萄糖(Glucose)呼吸的自由能变化(ΔG′)，以比较它们为DNRA和反硝化细菌提供能量的效率，如下所示：

(ΔG′=-2 870 kJ/mol) (3)

(ΔG′=-2 670 kJ/mol) (4)

(ΔG′=-1 870 kJ/mol) (5)

上述反应式释放能量的，因为葡萄糖的氧化还原电位约-550 mV；反硝化自由能变化接近有氧葡萄糖呼吸，高于DNRA。众所周知，硝酸盐(Natrate)还原为铵时消耗了8个电子，而反硝化过程中只有5个电子，因此，硝酸盐氨化比反硝化还原的硝酸盐能量的产量更高，如下所示：

(ΔG′=-556 kJ/mol) (6)

(ΔG′=-623 kJ/mol) (7)

4 DNRA测定方法

常用的检测DNRA过程的手段一般分为：①是对DNRA菌的功能基因丰度进行检测；②通过15N同位素示踪技术来进行检测。

5 结束语

在自然环境中，DNRA过程不仅能够将生物难以利用的无机物氮还原为有机物氮，同时还可以减少反硝化作用中产生的N2，减少温室气体的产生。近年来，越来越多的研究开始关注DNRA在各种自然环境中的存在情况，但更多的聚焦在土壤中，关于水体中DNRA的研究还较少。在水体中，DNRA虽然不起主导作用，但是通过调控各种条件，进一步抑制反硝化作用，可以减少温室气体的产生。在水体中，DNRA过程和反硝化过程是此消彼长的，通过对两个过程影响因素的了解，能够进一步地了解DNRA过程在水体中的作用和意义。