异养硝化-好氧反硝化菌生物脱氮特性及相关催化酶系的研究进展

冯诗语,王馥容,丛玉婷,王连顺,卢亚楠,王丽,谷晶,杨国军*,王华*

(1.大连海洋大学水产与生命学院,辽宁 大连 116023;2.设施渔业教育部重点实验室(大连海洋大学),辽宁 大连 116023;3.辽宁省贝类良种繁育工程技术研究中心,辽宁 大连 116023)

近年来水产养殖业快速发展,大量的含氮废水排放引起了严重的水体污染问题,同时水域生态平衡遭到破坏[1],如何在经济环保的条件下高效除氮是全球关注和研究的热点。目前快速有效的去除养殖废水中的含氮污染物是亟待解决的技术瓶颈。生物脱氮是一种高效和无二次污染的水产养殖废水处理技术,是养殖废水脱氮的有效技术手段之一[2]。传统的生物脱氮工艺中硝化反应与反硝化反应是在时间和空间上分开的两个阶段,因此在经济和效率方面存在一定的缺陷。在养殖废水生物脱氮技术的不断发展情况下,研究发现一些具备异养硝化-好氧反硝化(heterotrophic nitrification-aerobic denitrification,HN-AD)双功能的菌株,这些菌株异养硝化的产物可以作为好氧反硝化的反应物,可以实现在同一空间进行硝化和反硝化两个过程[3],从而提高生物脱氮效率,降低了生物脱氮成本[4],为生物脱氮提供新的研究方向和途径。

HN-AD菌的来源广泛且种类繁多,目前学者们主要在HN-AD菌的分离筛选、鉴定和脱氮性能评价等方面进行研究,而对于不同条件下的菌种投加方法、工艺参数、生物脱氮的关键基因及代谢机制等还未完全解析。因此,系统综述HN-AD菌的脱氮研究进展将有助于完善生物脱氮的基础理论以及推动新型生物脱氮技术与实际应用的结合。

综上,本研究从HN-AD菌生物脱氮特性、影响HN-AD菌生物脱氮的主要因素、生物脱氮催化机制以及HN-AD菌的应用4个方面进行系统的阐述。同时,总结归纳了相关研究领域所面临的瓶颈问题,并对HN-AD菌后续研究提出展望,以期为明确HN-AD菌的实际应用提供科学依据和理论参考。

1 HN-AD菌生物脱氮特性

自1987年Robertson等[8]从活性污泥中分离出首株HN-AD菌泛养硫球菌(Thiosphaerapantotropha),后更名为脱氮副球菌(Paracoccusdenitrificans),随后大量的HN-AD菌从各种环境中被筛选和分离,如不动杆菌属(Acinetobactersp.ND7)[9]、假单胞菌属(Pseudomonassp.DM02)[10]、芽孢杆菌(Bacillussp.N31)[11]、粪产碱杆菌(AlcaligenesfaecalisNO.4)[12]等。表1归纳了近些年不同种属的HN-AD菌株来源、除氮种类和脱氮效率。HN-AD菌多从污水或污泥中筛选得到,并且脱氮效率基本在80%以上。底泥中富含矿物质离子、有机物和无机物等物质,更适合微生物生长,所以底泥比水体环境存在更多种类和数量的菌种。HN-AD菌种类繁多,大多为革兰氏阴性菌,少数为革兰氏阳性菌。HN-AD菌能利用有机碳源作为底物,去除污水中各种形态氮,因此具有良好的除氮能力以及修复氮污染的潜力。

表1 异养硝化-好氧反硝化菌的主要类群、来源及脱氮特性Tab.1 Main groups,sources and nitrogen removal characteristics of heterotrophic nitrifying-aerobic denitrifying bacteria

续表1,Tab.1 Continued

2 HN-AD菌生物脱氮影响因素

HN-AD菌的生长、脱氮效率与环境因子密切相关。以下主要探讨溶解氧(dissolved oxygen,DO)、温度、碳源、C/N比、pH和盐度等因素对HN-AD菌生长和脱氮性能的影响。

2.1 DO

2.2 温度

2.3 碳源

2.4 C/N比

2.5 pH

一般来说HN-AD菌的生物脱氮体系对pH很敏感,不同HN-AD菌的pH耐受范围也有所不同,中性(pH 6.0～9.0)环境通常适合大多数HN-AD菌的生长,而酸性或碱性环境可能会影响其生长和代谢[36]。肖翎等[37]研究发现睾酮丛毛单胞菌(ComamonastestosteroneY62)在pH为5.0～6.0时脱氮效率低于60.00%,但在pH为7.0～8.0时菌株生长及脱氮效率达到峰值;Deng等[10]从养殖场中分离出假单胞菌属,其在中性和弱碱性环境下均能达到较高的脱氮效率。虽然大多数菌株在中性或弱碱性环境表现出良好的生长和除氮能力,但也有研究者发现,一些HN-AD菌具有一定的耐酸能力,通常可以在pH 3.0～9.0生长,如Yang等[38]探究不动杆菌属(JR1)在酸性条件下脱氮的可行性时发现,在酸性条件下其脱氮能力与其他在中性或弱碱性条件下的菌株脱氮能力相当,在pH范围为4.5～10.0时菌株对氨氮有较好的去除效果,这些研究证明了HN-AD菌同样在酸性废水处理中也具有良好的应用前景。

2.6 盐度

3 HN-AD菌生物脱氮机制

图1 异养硝化-好氧反硝化脱氮途径Fig.1 Heterotrophic nitrification-aerobic denitrification pathway

3.1 氨单加氧酶(AMO)

3.2 羟胺氧化酶(HAO)

3.3 硝酸盐还原酶(NAP)

3.4 亚硝酸盐还原酶(NIR)

3.5 一氧化氮还原酶(NOR)和一氧化二氮还原酶(NOS)

4 HN-AD菌应用初探

5 展望

HN-AD菌作为一种新型脱氮菌,在经济环保的基础上具有高效的脱氮能力,使其在水产养殖废水处理方面具有很大的推广和应用潜力。目前,对于HN-AD菌的相关研究主要集中在HN-AD菌的筛选鉴定、脱氮影响因素、脱氮相关酶系基因的鉴定及脱氮通路的推测。由于HN-AD菌的种类众多,脱氮途径存在差异,对此类型菌的脱氮途径和氮代谢机制尚不明确。后续的研究可以利用PCR扩增、蛋白质组学等多种实验技术手段和方法,测序分析不同HN-AD菌参与脱氮过程的功能基因以及催化酶系,并通过基因工程和蛋白质工程的方法对生物脱氮相关酶实现异源表达、纯化和酶学性质的系统表征,同时研究其各种脱氮代谢路径的底物和产物,从而推测HN-AD菌同步脱氮的途径和机理。此外,DO、温度、碳源、C/N、pH和盐度等环境因素对HN-AD菌的生长代谢有明显影响,实际应用的环境条件不一定适合HN-AD菌的生长,反应器长期运行HN-AD菌株的生物量和相对丰度会下降,造成脱氮效率下降。因此需要分离并筛选出更多适合不同环境条件的HN-AD菌,探究各种环境条件下HN-AD菌脱氮的最佳参数,并需要研究不同生物兼容的载体与HN-AD菌结合的脱氮工艺效果,得到可以保留更多生物量的HN-AD菌的载体,从而提高HN-AD菌实际应用的脱氮效率。目前HN-AD菌的研究多在实验室内进行,实际污水中存在多种微生物,HN-AD菌的生长代谢可能会与其他微生物之间存在竞争,从而影响实际脱氮效果。优化脱氮工艺尤为重要,调节相关条件参数使HN-AD菌成为优势脱氮菌或研发复合菌剂协同降解,更适用于处理水产养殖废水。随着更多具有HN-AD特性的菌株被发现,脱氮途径及氮代谢机制研究逐渐清晰,HN-AD菌在养殖废水中的脱氮效果将会更高效稳定,这种新型脱氮技术在废水脱氮的应用也会更为广泛。