微生物的硝化作用

高级微生物学综述

微生物的硝化作用

学生姓名：任伟帆

学号：4

指导教师：唐文竹

所在学院：生物工程学院

专业：生物学

大连工业大学

微生物的硝化作用

摘要：本文主要介绍了硝化作用微生物的种类,包括氨氧化菌、亚硝酸氧化菌、异养氨氧化菌和厌氧氨氧化菌。分析了硝化微生物的系统发育，还介绍了在硝化作用微生物生态学研究进展，以及同类群细菌中与硝化作用相关的酶类。文章的最后还分析了微生物脱氮在污水处理中的应用。

关键词：氨氧化细菌；系统发育分析；硝化作用；微生物脱氮

Microbial nitrification

Abstract:This paper introduces the types of nitrifying microorganisms, including ammonia-oxidizing bacteria, nitrous acid, oxidizing bacteria, heterotrophic ammonia-oxidizing bacteria and anaerobic

ammonium-oxidizing bacteria. The phylogenetic analysis of microbes was also studied, as well as advances in microbial ecology of nitrification and the enzymes associated with nitrification in the same group of bacteria. Finally, the application of microbial denitrification in sewage treatment was analyzed.

Key words： ammonia-oxidizing bacteria; phylogenetic analysis; nitrification; microbial denitrification

前言

氮元素在自然界中大量存在，是非常丰富的元素之一,它在自然界中主要以分子氮、有机氮化合物和无机氮化合物的形式存在。它们在微生物、动物、植物体内相互转移、转化，构成了氮循环[1]。而微生物在其中起着非常重要的作用，主要通过氨化作用、硝化作用、反硝化作用以及固氮作用来实现的。而目前，水体污染越远越严重，处理难度越来越大，生物处理工艺受到了更多的重视。因此，通过深入分析硝化作用微生物的种类及作用机理，不断改进生物脱氮工艺具有重要意义。

1 硝化作用的微生物种类及其系统发育分析

硝化作用分为两个阶段,即亚硝化(氨氧化)和硝化(亚硝酸氧化) , 分别由两类化能自养微生物完成,亚硝化细菌进行氨的氧化,硝化细菌完成亚硝酸氧化。在伯杰氏细菌鉴定手册第 9 版[2]中将它们统归于硝化杆菌科9个属: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)，硝化螺菌属Nitrospira 和亚硝化弧菌属Nitrosovibrio共 20种。。这些微生物广泛分布于土壤、湖泊及底泥、海洋等环境中。除了上述专性化能自养微生物外, 有些异养微生物也能进行硝化作用。如恶臭假单胞菌(Pseudomonas putida) 、脱氮副球菌(Paracoccus denitrificans) 、粪产碱杆菌(Alcaligenes faecalis) [3] 等。这些微生物可以在低碳条件下进行硝化作用，也可以在有机土环境中进行硝化作用。此外,近年来还发现了厌氧氨氧化的现象, 并证明是一个生物过程,是由一些厌氧或兼性厌氧微生物在厌氧条件下完成的 ,这些微生物以NO3-或 NO2-为电子受体氧化氨获得生长所需能量，生长非常缓慢，最短的倍增时间也要 11 d。迄今为止 ,虽然采取了各种办法, 但未能分离到厌氧氨氧化的纯培养物。尽管如此，还是可以对厌氧氨氧化微生物进行富集和特性研究 ,采用荧光原位杂交技术( FISH)和16S rDNA PCR 扩增、序列测定, 证实了厌氧氨氧化微生物的存在,16S rDNA 序列同源性分析表明 ,它们是一群独特的原核生物[4]。

基于 16S rRNA 基因序列同源性(相似性)的系统发育分析表明,所有的自养氨氧化细菌(亚硝化细菌)系统发育比较单一,它们均属于变形菌纲( Proteobacteria)β亚纲和γ亚纲 ,其中属于β亚纲的亚硝化细菌又可以分为两个类群: 亚硝化单胞菌群(Nitrosomonas) ,包括欧洲亚硝化单胞菌(Nitrosomonas europaea)和运动亚硝化球菌(Nitrosococcus mobilis)；以及亚硝化螺菌群(Nitrososp ira) ,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,从进化距离看,这 3个属完全应归于 1个属[5]。

与亚硝化细菌不同,硝化细菌(亚硝酸氧化菌)的系统发育则要复杂许多,研究结果表明, 硝化细菌的4个属分属于不同的 4 个系统发育类型: 硝化杆菌属(Nitrobacter)属于变形菌纲的α亚纲, 硝化刺菌属(Nitrospina)属于β亚纲、硝化球菌属(Nitrococcus)属于γ亚纲，硝化螺菌属(Nitrospira)属于硝化螺菌门( phylum

Nitrospira)[6]。以上这些充分说明了硝化作用微生物在进化上的系统发育起源的异源性。

2 硝化作用微生物的分子生态学研究

由于亚硝化细菌、硝化细菌或厌氧氨氧化菌的生长都非常缓慢，使得分离纯化较为困难, 从而影响了对这类微生物研究的深入,而这类微生物的生态作用及其重要性又是不言而喻的。同时由于分子生物学技术的发展、进步以及在生态学研究领域的应用,为避开传统的培养技术直接对样品进行检测和研究开辟了崭新的途径。有学者应用特异引物的 PCR 扩增方法,分析了水样中β-亚纲的氨氧化细菌,结果表明, 从南极等采集的样品均可扩增出 PCR 产物,特异性探针杂交表明, 所扩增的PCR 产物为氨氧化细菌的 16S rRNA 基因[7]。说明了该亚纲氨氧化细菌分布的广泛性。

沉积物中氨氧化细菌的群落结构,表明氨含量和污染程度越高其氨氧化细菌含量也越高,DGGE（变性梯度凝胶电泳）和 16S rDNA 分析表明主要是亚硝化单胞菌(Nitrosomonas)类群的增加。Hastings 等[8] 应用MPN、PCR、核酸探针杂交等分子生物学技术对富营养化的淡水湖的氨氧化作用进行了季节变化的研究,表明夏天具有较强的硝化作用,水中的氨氧化细菌随季节有较大的变化，主要是一些耐氨浓度较高的亚硝化螺菌(Nitrosospira)增加了, 而底泥的氨氧化细菌随季节的变化不大。

3 硝化作用的机制及相关酶类

硝化作用是利用亚硝酸菌和硝酸菌将氨氮转化为硝酸氮的过程，该过程的微生物为好氧化能自养型微生物，利用氨氮、亚硝酸盐为氮源，CO32-、 HCO-、 CO2等作为无机碳源来获得能量。其硝化过程的特征为：该过程是一个好氧的反应，且需要大量的氧气来完成；该反应过程中微生物生长率低，生物量浓度较低，且受环境条件较敏感；硝化过程是一个产酸的反应，在反应过程中需要补充大量的碱来保证反应的顺利进行。

在专性化能自养硝化作用中, 反应是由亚硝化细菌和硝化细菌分别完成的，其限速步骤是亚硝化细菌进行的氨的氧化，因此亚硝化细菌在硝化作用研究中受到特别的关注。首先在氨单加氧酶(AMO)的催化下将氨氧化成羟氨(NH2OH)，再经羟氨氧化还原酶(HAO)的催化下将羟氨氧化成亚硝酸(NH2-），进而由硝化细菌的亚硝酸盐氧化还原酶催化形成硝酸(NH3-)。而在厌氧氨氧化细菌中的情况则较为复杂，首先是亚硝酸被还原为羟氨, 然后一分子氨和一分子羟氨在类氨单