硝化细菌的简介及研究思路

问题的提出

我国水体富营养化状况

我国是一个湖泊众多的国家，大于1 km2的天然湖泊就有2300多个，湖泊面积为70988 km2，约占全国陆地总面积的％。湖泊总蓄水量为7077多亿m3[1]。调查结果表明：2004年七大水系的412个水质监测断面中，I～III类、Ⅳ～Ⅴ类和劣Ⅴ类水质的断面比例分别为％、％和％，七大水系主要污染指标为氨氮、五日生化需氧量、高锰酸盐指数和石油类[3]。

2004年监测的27个重点湖库中，II类水质的湖库2个，III类水质的湖库5个，Ⅳ类水质的湖库4个，Ⅴ类水质湖库6个，劣Ⅴ类水质湖库10个。其中，“三湖”（分别为太湖、巢湖和滇池）水质因总氮和总磷浓度高而均为劣Ⅴ类。太湖水质与上年比有所改善，但仍处于中度富营养化状态。滇池的草海属于中度富营养化，外海属重度富营养化。巢湖水质属中度富营养化。对于海洋环境，2004年全海域共发现赤潮96次，较上年减少23次。赤潮累计发生面积266630平方公里，较上年增加％，其中，大面积赤潮集中在东海。

目前，水体的富营养化已经成为我国最为突出的环境问题之一。许多大型湖泊，如巢湖、太湖、鄱阳湖、滇池和西湖等，都已经处于富营养或重度富营养化状态。而且一些河流在部分河段也出现了富营养化现象，如黄浦江流域、珠江广州河段等。据统计，我国主要湖泊处于因氮、磷污染而导致富营养化的占统计湖泊的56％[4]。因此，如何治理富营养化的水体，减少其中的营养物质的含量，回复水体的综合功能，已成为当前全球性的环境问题的研究热点[5]。

富营养化水体的微生物治理

针对水体富营养化现象，其水质改善及对策包括三个大的方面：污染源控制对策、水体生态修复对策以及应急除藻对策[6-8]。水体富营养化的关键与核心是生物多样性的破坏，其典型表现就是富营养化水体发生藻类“水华”现象[9]。因此，从保护和恢复生物多样性入手，引入微生物、植物和动物，尤其是关键物种，重建食物链结构，是恢复水体正常的主要手段之一[10-12]。为此经常用到的技术措施包括：以藻控藻，投加细菌微生物[13]、放养鱼类[14]，恢复与构建水生植被[15,16]等。

利用微生物种群的新陈代谢活动对富营养化水体中的有机污染物、氨氮和有机氮等进行去除，尤其是氮污染物的去除，主要需要建立硝化－反硝化体系。而在自然界中，原本存在有专门从事硝化－反硝化过程中的微生物种群。但是由于某些微生物种群，如硝化细菌的代时较长，增殖速率非常低。同时，水体的人为活动的破坏。导致了富营养化水体中硝化－反硝化体系的弱化甚至缺失。故针对富营养化水体，可采用向水体中投加复合微生物菌群，从而增强水体的生物自净化能力，达到控制水体富营养化的目的，该技术被称之为“微生物强化技术”。该技术具有费用低、见效快、无污染和方便安全等特点。

复合微生物种群主要由光合细菌、硝化细菌等组成，再辅之以反硝化细菌。其中，光合细菌通过自身代谢与藻类竞争性争夺营养物质，并可降解、消除藻类代谢分泌于体外的多种物质，削弱藻类的竞争力。一般的光合细菌都有固氮能力，在厌氧光照条件下固氮能力最强。光合细菌与其他细菌的混合培养，能够提高其他细菌的固氮能力。另外，硝化细菌、反

硝化细菌可针对水体中的有机氮和氨氮等进行降解处理。硝化细菌的生长条件是偏碱性的好氧环境。光合细菌在代谢过程中可产生碱性物质，从而为硝化细菌提供了碱性环境。

潘涌璋[17]等应用复合微生物培养液和BBL1菌剂，采用投加菌液的方法对富营养化人工景观湖水进行了净化试验，氨氮的去除率大于90％。杨世平[18]等人利用固定化硝化细菌处理养殖废水，24小时后COD去除率为％，氨氮去除率％。周康群[19]等利用投加氨氧化菌、亚硝酸盐氧化菌、芽孢菌和假单胞菌等于广州市西村水厂的水源中，可降解氨氮40％～％。黄晓东[20]等人利用角野以聚丙烯酰胺凝胶为固定化载体，用包埋法固定硝化细菌，并以％的填充率将固定化细胞透入到内循环的流化床中，对按标准活性污泥法运行、含硝化细菌极少的曝气池活性污泥混合液进行连续处理实验，停留时间仅为2小时，就可达到完全硝化。据Wagner M[21]等报道：某化工厂在采用两步生物增强技术，投加降解硝基苯和对硝基苯的菌以及氨氧化菌后，可将出水中的NH4+-N从120 mg/L降到20 mg/L。

硝化细菌的分类及研究现状

生物硝化作用（NH3→NO2-→NO3-）在地球氮素循环过程中扮演着极其重要的角色。生物硝化作用主要通过硝化细菌中两个“关键”共生菌群对氮素的迁移和转化作用来实现，这两个共生菌群分别是将氨氮氧化成亚硝酸盐的氨氧化菌（ammonia-oxidizing bacteria ，AOB）和将亚硝酸盐氧化成硝酸盐的亚硝酸盐氧化菌（nitrite-oxidizing bacteria，NOB）[22]。

1.2.1 硝化细菌的分类

根据伯杰氏鉴定手册第8版分类，硝化细菌统归于7个属，分别是硝化杆菌属（Nitrobacter）、硝化刺菌属（Nitrospina）、硝化球菌属（Nitrococcus）、亚硝化单胞菌属（Nitrosomonas）、亚硝化螺菌属（Nitrosospira）、亚硝化球菌属（Nitrosococcus）和亚硝化叶菌属（Nitrosolobus），共14种。伯杰氏细菌鉴定手册第9版中除了收录上述7个属外，另增加有2个属，分别是硝化螺菌属（Nitrospira）和亚硝化弧菌属（Nitrosovibrio），总共20种。这些菌种的分布很广，分布于土壤、湖泊及底泥和海洋等环境中[23]。

基于16S rRNA基因序列同源性的系统发育分析表明，所有的自养型氨氧化菌系统发育较为单一，他们皆属于变形菌纲（Proteobacteria）γ亚纲和β亚纲（图1所示）[24]，其中属于β亚纲的氨氧化菌又可以分为两个类群：亚硝化单胞菌群（Nitrosomonas）和亚硝化螺菌群（Nirosospira）。其中，亚硝化单胞菌群包括欧洲亚硝化单胞菌属（Nitrosomonas europaea）和运动亚硝化球菌（Nitroscoccus mobilis）；亚硝化螺菌属包括所有的属于亚硝化螺菌属（Nitrosospira）、亚硝化弧菌属（Nitrosovibrio）和亚硝化叶菌属（（Nitrosolobus）的菌株，从进化距离上看，这3个属可完全归于1个属。

图1-1 依据16SrRNA基因序列构建的硝化作用微生物的系统发育[25]

Fig. 1-1 Systematic evolution of nitrifying bacteria based on the sequences of their

16S rRNA

The sequences of 16SrDNA were from GenBank, and accession numbers from up to down were L35503, L35504, Y14636, Y14644, L35511, L35507, M96400, M96399, M96396, M96397,