一種好氧反硝化菌的反硝化特性研究

1、<p>　　一種好氧反硝化菌的反硝化特性研究</p><p>　　摘要：本實驗主要研究了影響反硝化菌－A1菌生長及其反硝化反應(yīng)的因素，包括溫度、初始pH值、碳氮比和碳源，還研究了硝酸根和亞硝酸根呼吸效果的對比。經(jīng)過實驗證明，A1菌最適宜生長的溫度是30oC左右；最適宜的初始pH值在7.0附近；當碳氮比在5～6之間時，A1菌有最好的反硝化效果；有機酸類和糖類做碳源時，A1菌生長良好，而醇類做碳源時，效果略

2、差；A1菌亞硝酸鹽和硝酸鹽呼吸脫氮率都可達到90％以上，但亞硝酸根效果略好。 </p><p>　　關(guān)鍵詞：好氧反硝化菌；反硝化效果；反硝化性能 </p><p>　　Abstract：This experiment mainly studies the impact of growth and denitrifying reactions of denitrifying bacteria

3、－A1, including temperature, the initial pH value, C/N, and carbon. Besides it also studies the contrast between the effect of nitrate breathing and nitrite breathing. After that experiment, the most suitable temperature

4、for A1 to grow is about 30 oC ; the most appropriate initial pH value is 7.0 in the vicinity ; when the C/N is between 5 to 6, A1 has the best denitrification effect. w</p><p>　　Key words: Aerobic denitrifyi

5、ng bacteria; Denitrification effect; Denitrification characteristic </p><p>　　中圖分類號：Q939.11+1文獻標識碼： A 文章編號： </p><p><b>　　一、前言 </b></p><p>　　氮素是植物何微生物的主要營養(yǎng)元素之一，當水體中含N>

6、0.2mg/L，水體就會營養(yǎng)化。[1]水體富營養(yǎng)化后會引起某些藻類的惡性繁殖，一方面有些藻類本身有藻腥味從而引起水質(zhì)惡化使水體變得腥臭難聞。[2]去年的太湖藍藻事件中，經(jīng)自來水廠凈化過的自來水都帶有很強烈的腥臭味，致使太湖周圍幾個城市的自來水停止供應(yīng)達半個月之久。[3]另一方面有些藻類所含的蛋白質(zhì)毒素會富集在水產(chǎn)體內(nèi)，并通過食物鏈影響人體的健康，甚至使人中毒。 </p><p>　　實驗室的生物濾塔在好氧條件下發(fā)

7、生了反硝化作用，推斷濾塔生物膜中生長有好氧反硝化菌。經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)了8株好氧反硝化菌，其中A1菌的反硝化效果最明顯。本實驗就是希望在借鑒前人的基礎(chǔ)上，研究A1菌的反硝化特性，為實際的工程應(yīng)用提供理論依據(jù)。對好氧反硝化細菌進行反硝化特性研究，重點是研究影響好氧反硝化細菌生長的幾個因素：C/N，溫度，初始pH，碳源，氮源等。觀察記錄影響因素與好氧反硝化細菌的生長關(guān)系和脫氮效率關(guān)系。 </p><p>　　二、實驗材料及方

8、法 </p><p><b>　　2.1 實驗儀器 </b></p><p>　?。?）TU－1810紫外可見光光度計 </p><p>　?。?）HH－1數(shù)顯恒溫水浴鍋 </p><p>　?。?）電熱恒溫水浴鍋 </p><p>　?。?）回旋式振蕩器 </p><p>

9、;　?。?）DYX－250H－B恒溫恒濕培養(yǎng)箱 </p><p>　　（6）YX－280B型手提式壓力蒸汽消毒器 </p><p><b>　?。?）超凈工作臺 </b></p><p>　?。?）PD－501型便攜式多功能測量儀 </p><p>　　（9）各種實驗玻璃儀器 </p><p>　

10、　（10）微生物A1菌 </p><p>　　2.2 分析檢測方法 </p><p>　?。?）硝酸鹽的測定[4]：采用酚二璜酸光度法對NO3－進行測定。硝酸鹽在無水條件下與酚二璜酸反應(yīng)，生成硝基二璜酸酚，所得反應(yīng)物在堿性溶液中發(fā)生分子重排，生成黃色化合物，在410nm波長處測定吸光度。 </p><p>　?。?）亞硝酸鹽的測定方法[4]：水中亞硝酸鹽的測定方法通

11、常采用重氮－偶聯(lián)反應(yīng)，通過生成紅色染料進行紫外分光光度測定。本實驗選用對氨基苯磺酰胺和N－(1氨基)－己二胺作為重氮和偶聯(lián)試劑。在酸性溶液中，亞硝酸鹽能與對氨基苯磺酰胺起重氮化作用，再與N－(1氨基)－己二胺起偶氮反應(yīng)，生成紫紅色偶氮染料，可在波長540nm處測其吸光度。 </p><p>　　三、好氧反硝化菌的特性分析 </p><p>　　3.1溫度對A1菌好氧反硝化效果的影響 <

12、;/p><p>　　圖3-1溫度對脫氮率和亞硝酸根生成率的影響 </p><p>　　溫度變化引起A1菌的反硝化率及亞硝酸鹽積累率的情況總結(jié)如圖3-1所示。溫度較低和較高都不利于反硝化，20oC時脫氮率只有8.10%；溫度大于40oC后脫氮率將低于20.0%。因此，A1菌適合生長的溫度為25~35oC，在30oC時脫氮率達到最高。另外可以發(fā)現(xiàn)，在低溫下A1菌好氧反硝化會產(chǎn)生少量亞硝酸鹽的積累。

13、反應(yīng)溫度大于30oC時，沒有亞硝酸根的積累?？芍獪囟纫矔绊慉1菌硝酸鹽還原酶和亞硝酸鹽還原酶的活性。溫度低于25oC和高于35oC時，硝酸根還原酶的活性都會被抑制，而亞硝酸鹽還原酶的活性會在溫度低于25oC時受到抑制。由上可知，菌種A1最適宜的生長溫度是30oC左右。 </p><p>　　3.2 初始pH值對A1菌好氧反硝化效果的影響 </p><p>　　圖3-2不同初始pH值對脫氮

14、率和亞硝酸根生成率的影響 </p><p>　　如圖3-2所示，不同初始pH值的培養(yǎng)液均有不同程度的好氧反硝化反應(yīng)發(fā)生。在較低初始pH值下，A1菌的反硝化效果不明顯。如初始pH值為4時，只有5%的硝酸根被脫除。隨著初始pH值的升高，脫氮率也逐漸升高。當初始pH值為7時達到最好的脫氮效果（94.1%）。此后，初始pH值繼續(xù)升高，脫氮率開始下降。當初始pH值為9.0時，只有50.20%的硝態(tài)氮被脫除。但相對于酸性狀態(tài)

15、，堿性狀態(tài)下更易進行好氧反硝化反應(yīng)。另外可以發(fā)現(xiàn)，在酸性狀態(tài)下A1菌好氧反硝化會產(chǎn)生亞硝酸鹽的積累，即一部分硝酸鹽根被轉(zhuǎn)化為亞硝酸根，而亞硝酸根沒有及時被轉(zhuǎn)化為N2從而產(chǎn)生積累。培養(yǎng)液為中性和堿性時沒有亞硝酸根的積累。 </p><p>　　綜上所述，pH值會影響菌種A1反硝化酶的活性，pH值較低或較高硝酸根還原酶的活性都被抑制。而亞硝酸鹽還原酶的活性在pH值較低時會得到抑制。由上可知，菌種A1反硝化最適宜的pH

16、值范圍是7.0左右。 </p><p>　　3.3 碳氮比對A1菌好氧反硝化的影響 </p><p>　　圖3-3 不同碳氮比時的脫氮率 </p><p>　　不同碳氮比時A1菌的反硝化效果是變化的，脫氮率及亞硝酸根生成率總結(jié)如圖3-3所示。由圖可知，好氧反硝化菌A1的總脫氮率隨碳氮比的升高而升高。C/N為1：1時，總脫氮率只有5.19％，同時有18.08％的亞硝酸

17、根生成；碳氮比升至2：1時，脫氮率突增至56.32％，而亞硝酸根的生成率下降到3.81％；碳氮比升至5：1時，脫氮率升高到91.87％?？梢奀/N的大小對菌種的生長是一個重要的影響因素，碳源過少時，會影響總脫氮效果。碳氮比為6:1時，脫氮率為94.64％，再增加碳源量時，脫氮效果的變化比較小。綜上所述，碳氮比為5至6是A1菌生長的最佳值；比值低于5，會影響脫氮效果；比值高于6則碳源處于過剩狀態(tài)，但是多余碳源不會影響菌種生長及對亞硝酸根的

18、消耗。 </p><p>　　3.4 不同碳源對A1菌好氧反硝化的影響 </p><p>　　圖3-4碳源對脫氮率和亞硝酸根生成率的影響 </p><p>　　本實驗采用的四種碳源，都可以被A1菌利用。其中，丁二酸鈉和葡萄糖的反應(yīng)效果都很好，24h脫氮率達到96％；乙酸鈉略差，也可達到90％；但是乙醇作為碳源時的反硝化率明顯低于其他碳源，只有34％，且出現(xiàn)了亞硝酸鹽

19、的積累現(xiàn)象。據(jù)研究，微生物可利用的碳源種類雖多，但異養(yǎng)微生物在元素水平上最適碳源是“C·H·O”型。“C·H·O”型中的糖類是最廣泛利用的碳源，其次是有機酸類、醇類和脂類等。[5]本實驗菌種的適合碳源為糖類和有機酸類，醇類不能被微生物直接利用，必須轉(zhuǎn)化為有機酸才能被吸收，故乙醇作為碳源，反應(yīng)緩慢。 </p><p>　　3.5 硝酸根與亞硝酸根作為電子受體時的效果對比 &l

20、t;/p><p>　　本實驗研究了只投加亞硝酸鹽時，A1菌的反硝化過程，并與投加硝酸鹽時的反硝化過程進行對比。 </p><p>　　實驗結(jié)果如圖3-5所示，菌種A1利用亞硝酸鹽的反硝化反應(yīng)過程生長良好，在第3h到12h時，亞硝酸鹽氮的濃度迅速降低，24h后亞硝酸鹽氮已不可檢測。與硝酸鹽的反應(yīng)過程相比，亞硝酸鹽的脫除速度略高，反硝化更徹底，說明菌種A1的亞硝酸根還原酶的活性比硝酸根還原酶略強。

21、在本實驗反應(yīng)條件下，硝酸鹽和亞硝酸鹽都可以作為菌種A1反應(yīng)的電子接收體，且不會產(chǎn)生競爭。 </p><p>　　圖3-5菌種A1降解硝酸鹽和亞硝酸鹽的效果 </p><p><b>　　四、結(jié)論與建議 </b></p><p>　　傳統(tǒng)理論認為，細菌的反硝化是一個嚴格的缺氧過程。無分子態(tài)氧存在時，反硝化菌才會利用硝酸鹽和亞硝酸鹽中的氮素作為電子

22、受體，使得硝酸鹽和亞硝酸鹽被還原成N2從水體中去除。然而，細菌好氧反硝化的發(fā)現(xiàn)，打破了傳統(tǒng)理論的認識，為生物脫氮技術(shù)提供了一種嶄新的思路?！昂醚醴聪趸本褪羌毦煤醚醴聪趸冈谟醒鯒l件下進行反硝化的過程。在目前水體富營養(yǎng)化已成為世界性環(huán)境問題的情況下，開發(fā)高效而經(jīng)濟的生物脫氮技術(shù)成為世界性研究課題。利用好氧反硝化菌，可以在一個反應(yīng)器中同時實現(xiàn)硝化反硝化，比傳統(tǒng)的生物脫氮技術(shù)減少了工藝流程，降低了工程建設(shè)量，提高了經(jīng)濟性。所以，利用好氧

23、反硝化菌進行脫氮比傳統(tǒng)厭氧反硝化脫氮更有優(yōu)勢。 </p><p><b>　　4.1 結(jié)論 </b></p><p>　　(1) 菌種A1最適宜的生長溫度是30℃左右，在低溫下A1菌亞硝酸鹽還原酶的活性被抑制，反硝化會產(chǎn)生少量亞硝酸鹽的積累。 </p><p>　　(2) 菌種A1反硝化最適宜的pH值范圍是7.0左右。在酸性狀態(tài)下A1菌好氧反硝

24、化會產(chǎn)生亞硝酸鹽的積累。 </p><p>　　(3) 碳氮比為5至6是菌種A1生長的最佳值，但是多余碳源不會影響菌種生長及對亞硝酸根的消耗。 </p><p>　　(4)本實驗采用的四種碳源，都可以被好氧反硝化菌A1利用。其中，丁二酸鈉和葡萄糖的反應(yīng)效果都很好，乙酸鈉略差，乙醇作為碳源時的反硝化率明顯低于其他碳源。 </p><p>　　(5) 菌種A1利用亞硝酸

25、鹽的反應(yīng)過程生長良好，與硝酸鹽的反應(yīng)過程相比，亞硝酸鹽的脫除速率略高。 </p><p><b>　　4.2 建議 </b></p><p>　　本實驗室所篩選出來的好氧反硝化細菌的生理特性與國外科學(xué)工作者的研究具有一定的差異，很多的特性還需要進一步的研究，展望下一步的研究計劃： </p><p>　　(1) 由于實驗條件有限，本實驗只是驗證了

26、部分影響因素對A1菌好氧反硝化效果的影響。建議以后可以更深入的研究A1菌的反硝化特性。 </p><p>　　(2) 建議通過誘變得到低碳源下的好氧反硝化細菌。 </p><p>　　(3) 建議實驗室在研究好氧反硝化細菌的反硝化特性的同時可以研究反硝化菌的固定化，以及研究固定化后的好氧反硝化細菌的生理特性是否會有變化。 </p><p><b>　　參考

27、文獻 </b></p><p>　　[1] 婁金生，謝水波，何少華等.生物脫氮除磷原理與應(yīng)用[M]. 國防科技大學(xué)出版社，2002,10:3～4。 </p><p>　　[2] 孫錦宜.含氮廢水處理技術(shù)與應(yīng)用[M].化學(xué)工業(yè)出版社，2003:36～39。 </p><p>　　[3] 徐亞同.廢水中氮磷的處理[M].華東師范大學(xué)出版社，1996:6～8。