张婷月 丁钰 黄民生

摘要：为寻求高效水体脱氮手段，从龙泓涧梯级塘底泥中筛选出以Pseudomonas菌属为主、具有异养硝化一好氧反硝化功能菌群，将其命名为LHJ-1.异养硝化和好氧反硝化性能研究结果表明，菌群LHJ-1具有明显的异养硝化功能，对NH+4-N和TOC利用率分别达99.90%和56.69%，且表现出较高的反硝化能力，对NO-3-N和NO-2-N的转化率分别为92.46%和89.67%.由不同环境因素（碳氮比、碳源、pH值和溶解氧）影响实验可知，多种环境因子均对菌群LHJ-1脱氮效果具有较大影响，因此在实际应用中需考察不同环境因子，以找出最佳生长条件，获得最大脱氮效率.异养硝化一好氧反硝化菌群LHJ-1的筛选在水体脱氮除碳中具有广阔的应用前景.

关键词：异养硝化;好氧反硝化;混合菌;脱氮性能

中图分类号：X522 文献标志码：A DOI：10.3969/j.issn.1000-5641.2018.06.003

引言

近年来水生态环境问题日益严重，水中氮素污染状况不断恶化，氮素超标已成为水体富营养化的一个重要原因.因此去除水中氮素已经成为水污染防治领域的一个热点问题生物脱氮以无污染、高效率的优点被认为是脱除水中氮素的有效手段传统的生物脱氮分为硝化过程和反硝化过程.自养硝化细菌将水中NH+4-N在好氧条件下氧化为NO-3-N和NO-2一N，反硝化细菌在缺氧的环境下还原NO-3--N成氮气，从而脱除水中氮元素.由于反应条件和作用机理不同，硝化和反硝化过程需分开进行，导致工艺流程耗时较长.因此科学家希望能够突破传统生物脱氮技术限制，发掘新型脱氮方法.1984年，Robertson等人发现了一种能以NO-3一N和氧气同时作为电子受体的兼养微生物Thiosphaera Pantotropha，并将此过程命名为好氧反硝化.这一发现突破了传统生物脫氮理论，此后陆续有学者对好氧反硝化领域展开研究.目前被报道出的好氧反硝化菌属有产碱杆菌属（alcaligenes）[9]、假单胞菌属（Pseudomonas）、芽孢杆菌属（Bacillus）和红球杆菌属（Rhodococcus）等.综合分析好氧反硝化作用机理的不同观点，总结起来可以从微环境和生物学角度进行析分.前者认为在微生物絮体内，由于氧传递导致絮体内产生溶解氧浓度梯度，在外部环境中与空气接触良好的好氧反硝化菌进行硝化作用，在絮体内部存在厌氧的微环境，由厌氧菌进行反硝化作用.后者认为好氧反硝化过程中的协同呼吸，使得氧和NO-3一N可同时作为电子受体此外，在好氧条件下，膜内硝酸盐还原酶几乎不起作用，而周质硝酸还原酶能够在高浓度溶解氧条件下表达，参与完成反硝化过程.较传统的生物脱氮而言，好氧反硝化菌能够同时进行硝化和反硝化，缩短工艺流程，且具有较好的耐高溶解氧性能，能够利用原水中的碳源完成自身代谢活动，生长速率快.

本实验从龙泓涧梯级塘底泥中富集出具有异养硝化一好氧反硝化功能的细菌菌群，讨论了其异养硝化及好氧反硝化生理生化特征，并研究了不同因素（碳源、碳氮比、pH值和溶解氧）对其脱氮效能的影响，以期为实际工程应用提供技术借鉴.

1材料与方法

1.1样品采集

龙泓涧梯级塘位于杭州西湖西南面，采用彼得森抓泥斗采集底部沉积物，随后迅速冷藏运回实验室.

1.2培养基

2结果与讨论

2.1菌群鉴定

细菌生物多样性检测是基于对16SrDNA功能基因等特定区域片段PCR产物进行高通量测序，来探究物种的群落组成和进化关系.高通量测序结果表明（如图1所示），LHJ-1为混合菌群，在属水平上主要由Pseudomonas（74.34%）、Cupriavidus（2.79%）、Acidovorax（10.44%）、Acinetobacter（11.09%）和Pseudoduganella（1.16%）构成，其中假单胞菌属（Pseudomonas）占比最大，成为优势菌.假单胞菌属是典型的好氧反硝化菌，这表明经过长时间的富集和驯化，菌群LHJ-1已成为由好氧反硝化菌主导的功能群落.

不同菌属的细菌混合生长，物种多样性丰富，提高了系统的稳定性，菌种之间的协同共生作用，在实际应用中具有更好的环境适应性，更有利于水中氮素和有机物的脱除.

2.2菌群LHJ-1的异养硝化特性

异养菌较自养菌而言，可利用环境中的有机碳源维持自身生长，生长速率快，细胞产量高，同时达到降解有机物的目的.本文为了考察LHJ-1的异养硝化性能，将其接种至以NH4C1为唯一氮源、丁二酸钠为碳源的培养基中，结果如图2所示.

0-6h内细菌处于适应期，生长较为缓慢.6-18 h细菌处于对数增长阶段，细菌量迅速增加，OD600值从0.008增长至0.112.与此同时，碳源浓度也迅速下降，从113.175 mg/L下降至30.353mg/L，平均降解速率为4.601mg/（L.h），降解率为73.18%.由此可见，细菌利用了大量外部碳源来供自身生长，具有明显的异养功能.NH+4一N浓度在0-6 h内迅速下降，从最初3.081mg/L降至0.003 mg/L，去除率达99.90%，而后趋于稳定.细菌生长与NH-4一N的去除存在一个滞后过程，可能是由于菌体先吸收氮源和碳源后需要一个利用转化过程，此现象与康鹏亮研究一致.TN的去除主要集中在细菌的对数生长阶段，从Oh到18 h，TN去除率达83.04%，最大去除率在第30小时，达到93.58%.随后细菌生长进入衰亡期，TOC和TN

3结论

从龙泓涧梯级塘底泥中筛选出具有异养硝化好氧反硝化功能的菌群LHJ-1，主要包含Pseudomonas、Cupriavidus、Acidovorax、Acinetobacter和Pseudoduganella，其中Pseu-domonas占比最大.异养硝化特性探究结果表明，菌群LHJ-1对NH+4一N和TN的最大去除率分别为99.90%和93.58%，具有较强的异养硝化功能.好氧反硝化性能研究中，菌群LHJ-1对NO-3-N和NO-2N的最大去除率分别为92.46%和89.67%，具有明显的好氧反硝化性能.研究还进一步证实，多种环境因子对菌群LHJ-1的脱氮效率影响显著.环境因子影响实验表明，菌群LHJ-1发挥异养硝化一好氧反硝化功能的最佳c/N为16，最佳碳源为葡萄糖，最佳pH值范围为5-9，最佳通氧转速为60～120r/min，在对应的培养条件下，菌群LHJ-1达到了较高的脱氮效率.

该菌拟用于处理生活污水的厌氧/好氧（A/O）工艺中.生活污水中COD通常在300～400mg/L，较高的在500 mg/L左右，NH+4一N浓度在30mg/L左右.由上述结果可知，当c/N为16时TN去除效果最高，而实际应用中原水很难达到较高的c/N，这可能导致碳源不足，从而降低处理效果.因此在后续的实验中需加强对LHJ-1的驯化，使其能够适应较低的c/N条件，并取得较好的脱氮效果.