反硝化细菌研究现状和发展态势——基于Web of Science数据库

陈伟红，祁宝川，王凯丽，张萌，钱大益

（伊犁师范大学化学与环境科学学院污染物化学与环境治理重点实验室，新疆伊宁 835000）

0 引言

氮肥的过度使用和污水的不达标排放使得硝酸盐污染成为全球性的环境问题[1]。硝酸盐作为水体中的常见污染物之一，由于其具有高度可溶性和可移动性，易通过降水等途径迁移到水体中，危及人类健康和水环境安全[2]。随着人们对水质的更加重视，对硝酸盐的治理要求也越来越高。因此，研究经济高效的脱氮技术具有重要意义。目前，生物脱氮被公认为是最有效的脱氮技术[3]。

传统的生物脱氮技术通过好氧和厌氧两个单元分步运行，脱氮过程复杂，去除氮不彻底，且会增加处理成本和管理难度[3-4]。好氧反硝化细菌的发现打破了实现同步硝化反硝化的屏障。1984 年，ROBERTSON[5]等发现了第一株好氧反硝化细菌(Paracoccussp.)，之后，科研人员陆续分离到多株好氧反硝化细菌；该类菌在有氧环境中可将氮污染物转化为无害的气态氮，其生命周期短、效率高，具有较好的污水脱氮优势和潜力[6-8]。经过几十年的发展，研究人员在反硝化细菌领域开展了大量研究，产出了海量文献，取得了较大成就；但对于该领域的研究仍缺乏全面深入的梳理与总结，缺少从计量学角度分析该领域研究概况和预测发展趋势。

文献计量分析是一种基于数学统计的文献和信息挖掘方法，可以通过文献的关键词、聚类关系来反映研究趋势和热点，由于其显著的客观性、定量化、模型化的宏观研究趋势，已成为各个科学领域进行全球分析的重要工具[9-11]。但截至目前为止，关于反硝化细菌领域的文献计量分析尚不清楚。基于此，本研究以Web of Science 核心数据库为基础，利用VOSviewer、Citespace等工具，对1990—2022年间发表的反硝化细菌相关文献进行分析，从全球研究趋势、国内外研究热点等层面进行探讨，阐明反硝化细菌的研究概况和发展趋势。

1 材料和方法

数据来源：Web of Science 核心合集数据库（以下简称WOS）。

检 索 式 ：TS=("denitrifying bacteria" OR "denitrification bacteria" OR " denitrifying bacterium" OR denitrobacteria OR denitrifiers OR de-nitrobacteria)；初步检索得到6204 篇文献，经Citespace 去重后，得到6130 篇有效文献；检索年限为1990 年1 月1 日至2022年8月23日，最后检索执行时间为2022年8月23日。

统计工具：利用WOS 数据库自带的分析工具、Citespace、VOSviewer软件以及Origin 9.1等软件。

2 结果与分析

2.1 发文量

学术论文数量的时序变化可直接反映某学科发展概况，预测未来发展趋势和动态[12]。1990—2022 年间有关反硝化细菌研究文献年度产出分布如图1所示。

图1 反硝化细菌研究年度发文量趋势图

该领域科研产出总体呈对数增长，发展过程可分为3 个阶段：起因(1990—1995)、探索(1995—2004)、发展（2004—至今）；2004 年后文献产出持续增加，近几年平均发文在80篇以上。产出最多的3个国家分别是中国、美国、德国；分析可知，美国和德国科研产出保持平稳发展；而中国的文献产出在2009 年后迅速增长，成为该领域主要的科研力量。值得注意的是，全球发文和中国科研产出趋势保持一致，说明中国学者在该领域科研活动活跃，具有突出的科研实力，初步具备引领全球科研产出的快速增长。

中国在该领域内产出的首篇论文是LIU 等[13]在1996年发表在Water Science and Technology期刊上的《Removal of nitrogen from coal gasification and coke plant wastewaters in A/O submerged biofilm-activated sludge(SBF-AS)hybrid system》，该研究利用浸没式生物膜（缺氧区）-活性污泥（好氧区）混合系统去除来自煤气化和焦化厂废水中的氮；该论文是中国水处理领域的突破性成果，对推进废水脱氮研究意义重大。

2.2 作者分析

作者共现知识图谱可以直观展示该研究领域的作者合作情况；其中高频作者及作者间的合作团队是某一研究领域十分重要的科研力量[14]。

根据普赖斯定律，核心著者至少发表论文数为Mp篇，计算公式为：

式中：Npmax为作者发表的论文数，核心作者是发文量在Mp篇以上的作者[15]。本研究中，Npmax=35，Mp≈4篇，故发文量≥4篇的作者即为该领域的核心作者，共计214 位作者。利用Citespace 绘制作者合作关系网络（图2）。

图2 反硝化细菌研究发文作者合作网络

由图可知，该领域并未形成联系广泛的合作关系。经过数十年的发展，形成了以PENG YONGZHEN、SCHLOTER MICHAEL、FUCHS G 等核心作者为中心的9 个主要科研团队，团队内部合作关系相对密切，但团队间分布离散，交流合作较少。另外，一部分作者以独立研究为主，缺乏合作交流，不利于科学研究的拓展和深化。

排名前十位核心作者中（如表所示），中国高产作者有五位；发文量第一的是北京工业大学的彭永臻院士，该团队主要致力于污水处理，在解决污水脱氮除磷难题、新工艺技术研发和推广应用等方面取得了多项突破性成果；西安建筑科技大学的黄廷林教授发文量第五，该团队的研究方向主要有水源水质污染与富营养化控制、水处理理论与技术、水环境修复理论与技术，水工艺与工程系统优化理论与技术。排名第八的是山东大学的张健教授团队，主要研究方向为生物与生态环境净化技术。

总体而言，反硝化细菌研究已得到众多学者的高度重视，但作者之间的合作关系仍然较弱，尤其是高产核心作者之间，在今后的研究过程中应加强合作交流研究。

2.3 国家/机构合作分析

利用Citespace 绘制国家合作网络，Top N=50，共100个节点，483条连线；研读图谱可知，图谱节点较多但相对分散，节点间的连线也较少，说明国家间的总体合作关系较弱。反硝化细菌研究分布在108 个国家，研究产出文献数量排名前五的国家有中国(2647)、美国(1043)、德国(607)、日本(362)、法国(241)。

中介中心性可用来衡量节点的重要性和关联性（中介中心性超过0.1的节点称为关键节点）。美国虽产出较多，但其中介中心性很低(0.04)，说明美国与其他国家的关联度较低，其具备独立的研究体系。以德国为中心的欧洲国家，包括葡萄牙、荷兰、瑞典法国、英国、意大利等均具有较高的中介中心性，并且相互之间合作密切，形成了一个区域研究中心。比利时(Belglum)中介中心性最高，为0.62，在该领域有较深入的研究，论文产出影响力较高。中国的中介中心性为0.12，相对较高，说明中国正在加强与其他国家的合作，完善国际合作关系，追求科学研究共同发展（图3）。

图3 反硝化细菌研究发文国家合作网络

2.4 引文分析

核心文献分析有助于对某领域的发展历史、研究核心、经典理论进行快速定位，一般以文献被引用频次的高低认定核心文献[16]。总被引频次前10 的论文如表1所示。

表1 反硝化细菌高被引文献

高被引文献主要关注生物化学和分子基础、氮氧化物、反硝化途径、好氧反硝化、水体硝酸盐等方面的问题。德国学者ZUMFT[17]发表的Cell biology and molecular basis of denitrification 综述性论文引用频次最高，该论文从反硝化遗传基因、反硝化呼吸作用、厌氧血红素和血红素D1的生物合成、一氧化二氮还原系统等方面综述了反硝化分子生物学基础。另外，Science 收录的Biochemistry of nitric oxide and its redox-activated forms[18]，主要介绍了一氧化氮的生物化学功能，包括合成酶促机制、减轻其毒性的方法等。此外，其中一篇高被引文献被顶级期刊Nature收录[22]，该研究发现了第4种产生氧气的生物途径。在十篇高被引论文中，美国产出3篇，其余7篇均产自欧洲国家，如德国、荷兰、英国等，和国家分析结论一致。

2.5 关键词分析

（1）关键词共现分析

关键词体现论文的核心主题，对关键词分析能够发现某一领域的研究热点[27]，利用VOSviewer 对关键词进行可视化分析，选取频次≥10 的关键词生成关键词共现图谱，如图4所示。

总体来看，该领域演化出3条主要的研究路径：反硝化微生物群落结构、生物反硝化、污废水脱氮。涵盖的主要研究领域包括：一是土壤、水体等环境中的反硝化生物群落多样性的测定；二是废水中氮污染物的降解去除研究；三是对生物反硝化脱氮研究，主要表现在反硝化细菌的分离筛选，四是对氮去除途径的研究，如氨氧化、短程硝化反硝化，好氧反硝化。

根据关键词共现网络（图a），“Denitrifying bacteria”出现频次较高，同时形成与“denitrification”“nitrogen removal”“Nitrate”等紧密相连的六大聚类，如图中所示，六大聚类代表性关键词分别是：nitrate、denitrifying bacteria、nitrogen removal、denitrifiction、nitrite、environment等。

频次前十的关键词如图b所示；分析可知，硝化反硝化是该领域的理论基石；污废水、活性污泥等关键词体现出应用领域；另外，研究反硝化细菌的生物群落结构和多样性是该领域的研究热点所在。综合来看，反硝化菌株在缺氧或好氧条件下降解脂肪族和芳香族化合物、好氧反硝化细菌的筛选及其脱氮特性、好氧反硝化脱氮机制研究依旧是当前的研究热点。

（2）研究现状

关键词的“突变”可以客观描述短时间内某个学科领域动态的研究前沿问题，反映一段时间内的研究热点和发展趋势[28]。利用Citespace软件的突变检测算法(Burstness)对该领域6204 篇文献做关键词突变分析，突变词信息如表2所示。

结果显示，该领域研究前沿一直处于动态变化；在研究初期(1990—2004)，学者们更关注反硝化细菌的厌氧降解过程和代谢途径；随着对该领域广度和深度的挖掘(2004—2016)，研究人员开始利用分子生物学工具揭示反硝化细菌的基因信息；另外，该时期也突出了好氧反硝化以及反硝化细菌的分离鉴定研究；近几年(2016—2022)研究者在关注反硝化细菌脱氮性能、生物群落分析等研究的同时，污水脱氮、异养硝化好氧反硝化、氮氧化物的释放也是近几年的重点关注方向。

突变强度最大的关键词是“脱氮性能(performance)”，开始突变时间较晚，说明近几年研究者更关注生物脱氮性能以及致力于提高污废水脱氮效能。

（3）研究趋势

①氧化物的释放

氧化亚氮(N2O)是一种强大的长寿命温室气体，是破坏臭氧层的主要贡献者之一，氧化亚氮的大量排放严重影响了全球气候变化[29]，其全球变暖潜能值是二氧化碳的298 倍[30]；反硝化作为温室气体N2O 的一个主要来源，在过去几十年中引起了科研工作者的极大兴趣[31]。有研究统计，大气中N2O 浓度的增长率估计为每10年2%左右[32]。伴随着全球经济的发展和人口资源的增长，N2O 排放可能进一步增加。因此，了解N2O排放机制，寻求N2O减排方法，对中国乃至全球温室气体减排具有重要意义。

②反硝化功能菌剂的研制和应用

当前研究主要关注自然环境中的反硝化微生物群落结构[33-34]、利用生物群落分析氮循环过程[35]、利用分子生物技术探究脱氮功能菌群[36]，而对于反硝化功能菌剂的研究较少，面对生物脱氮效果不佳，生物存活率低，研制反硝化菌剂具有较高的应用价值；如YANG等[37]以生物电化学确定了以Thauera为主的好氧反硝化联合体，该联合体具有良好的电化学活性和污染物性能。

③同步硝化反硝化

同步硝化反硝化(SND)因其运行成本低、反应速率快、出水水质好等优势，近年来受到广大研究者的青睐；SND 的实现关键在于异养硝化好氧反硝化细菌(HN-AD)，该类菌生长速率快，可利用有机基质作为碳源，也可同时降解不同形态的氮污染物[38]。这些优势使得硝化和反硝化在同一反应器、同一条件下进行成为可能。但同步硝化反硝化处理生活污水的氮代谢途径及其耦合机制尚不明确、在不同运行环境下的脱氮途径变化趋势不清晰、脱氮效果不佳等问题亟待解决[39]。

④新型反硝化细菌的分离鉴定

新型反硝化细菌的分离鉴定及其脱氮途径依旧是未来几年内的热点研究所在。如CHEN等[40]从人工湿地中分离出一株异养硝化好氧反硝化细菌AlcaligenesfaecalisstrainWT14，该菌具有较强的硝酸盐或亚硝酸盐去除能力。LV 等[41]从城市活性污泥中分离到一种新型好氧反硝化菌Pseudomonassp.41，该菌株能在低温条件下快速降解高浓度NO3--N。

⑤硝酸盐氮的去除

目前，氮肥的过量使用，生活污水和人畜粪便大量排放，使得水体中的硝酸盐氮成为一种分布广泛且日益增加的污染物[42-43]。硝酸盐含量高不仅会造成水体富营养化，并且在厌氧和缺氧条件下产生的亚硝胺(NOAs)具有高毒害作用[44]；硝酸盐污染问题已引起世界关注。此外，反硝化作用是温室气体N2O 排放的重要途径[45]；因此，利用经济环保高效的生物处理技术去除硝酸盐氮具有十分重要的意义。

3 结论

本研究利用信息可视化软件Citespace 和VOSviewer 对1990—2022 年WOS 数据库收录的反硝化细菌领域研究文献进行可视化分析，得出如下结论：

（1）时间维度上，该领域发展过程有起因、探索、发展三个阶段；从空间特征来看，涉足国家较多，以中国、美国、德国为代表；欧洲国家合作意识较强，但总体合作关系较弱；中国研究起始于1996 年，随后引领研究潮流。

（2）核心作者214 位，但合作交流较少；中国核心作者较多，以彭永臻院士为代表。从高被引论文可以看出，该领域借助生物化学和分子生物学工具，关注反硝化途径、生物群落分析、好氧反硝化等研究内容，另外，高被引论文主要产自欧洲国家，中国在论文质量和影响力方面有待加强。

（3）关键词呈现出“工具—对象—方法”三种类型，反硝化是该领域的研究基础，分子生物学等是工具，生物群落、污废水脱氮等是研究对象；当前的研究主要关注硝酸盐氮的去除、好氧反硝化、有机化合物的反硝化降解以及反硝化细菌的筛选等；随着该领域广度和深度挖掘，研究人员更关注生物脱氮性能以及致力于提高污废水的脱氮效能。

（4）根据分析结果，未来“反硝化细菌”研究领域更注重以下几个方面的深化和扩展：氮氧化物的排放研究、新型反硝化细菌的筛选及反硝化菌剂的研制和应用、同步硝化反硝化研究、硝酸盐氮的去除。