为了提高低温废水的生物脱氮效率,从寒冷地区冬季土壤和底泥中分离筛选耐低温异养硝化-好氧反硝化细菌,研究其脱氮特性及途径.通过菌落和细胞形态特征观察、16S rRNA基因序列分析鉴定菌种.分别以NH4+-N、NO3--N、NO2--N为唯一氮源,以NH4+-N和NO3--N为混合氮源,考察菌株在低温条件(10℃)的硝化、反硝化以及同步硝化反硝化性能.采用聚合酶链式反应(polymerase chain reaction,PCR)对菌株的脱氮功能酶基因扩增,推测低温脱氮途径.结果表明,从河水底泥中筛选出一株异养硝化-好氧反硝化菌,经鉴定为Pseudomonas veronii,命名为P.veronii DH-3.该菌分别以相同初始含氮量(105 mg/L)的NH4+-N、NO3--N和NO2--N为唯一氮源,在 10℃好氧培养 48 h时,氮的去除率分别为 99.07%、96.89%和 90.29%,且在脱氮过程中几乎无亚硝酸盐的累积.以NH4+-N和NO3--N为混合氮源时,NH4+-N在 48 h内被完全去除,NO3--N的去除率为 87.09%;氮平衡分析结果表明,以NO3--N和NO2--N为唯一氮源时含氮气体和细胞内生物氮的转化率均低于NH4+-N,表明该菌株的异养硝化能力强于好氧反硝化能力.脱氮功能基因hao、napA、nirS、nirK、cnorB和nosZ的成功表达,进一步证实该菌株具有硝化反硝化能力.根据上述研究结果,推测该菌株低温脱氮的主要途径为异养硝化-好氧反硝化作用和同化作用.菌株P.veronii DH-3 具有良好的异养硝化-好氧反硝化性能,为低温含氮废水的生物净化提供了理论支持.

文章基于高通量测序技术对污水处理厂微生物群落多样性进行分析研究,并针对污水处理脱氨氮效率低,产生二级污染物等问题,筛选分离出同步硝化好氧反硝化菌实现高效脱氮,探索其脱氮特性,为强化微生物法处理高氨氮废水提供新的菌源.微生物多样性分析结果显示,脱氮系统具有丰富的群落多样性,其主要菌门为变形杆菌门(Proteobacteria),主要优势菌属为陶厄氏菌属(Thauera sp.).从污水处理系统的活性污泥中分离鉴定高效脱氮菌株.通过形态观察和 16S rDNA基因序列比对,鉴定分离菌株为康德拉氏副球菌(Paracoccus kondratievae);测定不同氮源降解过程中菌体生长量变化和脱氮效率,分析其同步硝化好氧反硝化性能,结果显示,其 24h内的氨氮去除率为 99.91%,将菌株应用于实际污水处理中,其总氮、氨氮、硝氮脱除率分别为 60.70%,88.77%和86.35%.

通过逐步提高进水中的有机碳源浓度,探讨进水碳氮比(C/N)对基于亚硝化的全程自养脱氮(CANON)型潮汐流人工湿地(TFCW)脱氮效能及其微生物特性的影响.结果表明:进水C/N可显著影响CANON型TFCW中脱氮功能微生物的数量与活性,进而影响其氮素转化速率.当进水C/N由0.0增至6.0时,TFCW中反硝化功能基因的丰度随之增加,系统反硝化性能提高,TFCW中逐渐形成同步亚硝化、厌氧氨氧化与反硝化(SNAD)耦合反应体系,其脱氮效果得以强化.当进水C/N＞6.0时,好氧氨氧化菌活性受到抑制,数量逐渐减少,TFCW中的厌氧氨氧化作用与反硝化作用受阻,系统脱氮性能恶化.当进水C/N为6.0时,TFCW中的SNAD作用可得到最大限度的强化,其总氮(TN)去除率和去除负荷分别达(93.3±2.3)％和(149.30±8.00) mg·L-1·d-1,高于CANON系统中TN去除率的理论值.

好氧颗粒污泥是微生物通过自凝聚作用形成的一种特殊的生物聚集体,具有结构致密、沉降性能优异、抗冲击负荷能力强、多功能微生物分区定殖等特点,其在废水强化脱氮除磷与难降解有机物去除方面具有明显的技术优势.针对目前工业和养殖废水及城镇生活污水等碳氮比低、处理出水总氮达标压力大等突出问题,综述基于好氧颗粒污泥的全自养、同步硝化反硝化、短程硝化反硝化、短程硝化-厌氧氨氧化、异养硝化-好氧反硝化等强化脱氮工艺,介绍其脱氮机制及技术优势,阐明不同好氧颗粒污泥脱氮工艺的特点与颗粒污泥特性,同时总结各种工艺的启动条件及富集相应功能菌的好氧颗粒污泥的形成因素,评估不同工艺应用于实际废水生物处理的可行性.在此基础上进一步分析进水基质组成(不同碳氮比)、运行模式(连续曝气和间歇曝气)、运行条件(溶解氧浓度、温度和pH)等对好氧颗粒污泥工艺强化脱氮性能与稳定运行的影响.最后提出应进一步优化好氧颗粒污泥强化脱氮工艺的运行参数,解析好氧颗粒污泥微生物菌群功能,揭示好氧颗粒污泥形成与结构稳定的微生物学机理.

生物电化学系统(BES)因兼有污染物去除与能量回收等优点,近年来已成为环境污染治理领域的关注热点.对生物电化学技术在脱氮方面的基本原理、含氮污染物的转化途径进行综述,主要的生物脱氮过程包括阴极反硝化、阳极氨氧化以及阴极同步硝化反硝化等,而非生物脱氮过程包括NH3/NH4+的跨膜转移、氨气逃逸等. 总结已报道的BES中主要脱氮微生物及其脱氮机制,BES中多数反硝化菌属于变形菌门(Proteobacteria);硝化细菌主要是亚硝化菌属( Nitrosomonas)和硝化杆菌属( Nitrobacter);在同步硝化反硝化过程中,电极上的硝化、反硝化菌有明显的分层现象. 最后阐述了生物电化学脱氮技术在生活污水、渗滤液、地下水处理等领域的最新应用研究,通过改变反应器构型以及运行模式等条件构建不同BES处理各类污水,以达到去除污染物同时回收电能或资源的目的. 基于目前BES的优势,认为减少脱氮中间产物(NO2---N、N2O)的积累及扩大BES规模对电能输出和污染物去除效果的影响将是未来的研究方向. (图3 表2 参66)

[背景]反硝化厌氧甲烷氧化(Denitrifying anaerobic methane oxidation, DAMO)是以硝酸盐或亚硝酸盐为电子受体以甲烷为电子供体的厌氧氧化过程,对认识全球碳氮循环、削减温室气体排放和开发废水脱氮新技术等方面具有重要意义.[目的]认识以硝酸盐和亚硝酸盐为电子受体的DAMO微生物富集过程和结果的差异性.[方法]在序批式反应器(Sequencing batch reaetor,SBR)内接种混合物,分别以硝酸盐和亚硝酸盐为电子受体连续培养800 d,定期检测反应器基质浓度变化、计算转化速率;利用16SrRNA基因系统发育分析研究功能微生物的多样性,利用实时荧光定量PCR技术定量测定功能微生物.[结果]以亚硝酸盐为电子受体的1、3号反应器富集到了DAMO细菌,未检测到DAMO古菌;以硝酸盐为电子受体的2号反应器富集到了DAMO细菌和古菌的混合物;3个反应器的脱氮速率经过初始低速期、快速提升期,最终达到稳定,但2号快速提升期开始时间比1、3号晚了80d左右,达到稳定的时间更长,稳定最大速率为1、3号的44.7％、40.3％.[结论]硝酸盐和亚硝酸盐对富集产物有决定性影响;以硝酸盐为电子受体富集得到的DAMO古菌和细菌协同体系可以长期稳定共存,DAMO古菌可能是协同体系中脱氮速率的限制性因素.

[背景]高度集约化的对虾养殖业面临着日益严重的水污染问题,同步高效降解养殖废水中的有机物、氨氮和亚硝酸盐是对虾养殖业健康可持续发展的重要保障之一.[目的]通过分别固定化硝化菌群(Nitrifying bacterial consortia,NBC)和芽孢杆菌,优化菌群空间结构,提高菌群功能,实现同步高效降解对虾养殖废水中的有机物、亚硝酸盐和氨氮,保障南美白对虾养殖的可持续发展.[方法]采集养殖虾塘底泥进行硝化细菌自养富集和连续培养,利用16SrRNA基因高通量测序技术分析硝化菌群组成.从5株芽孢杆菌中筛选化学需氧量(Chemical oxygen demand,COD)降解能力最强的菌株.选用吸附和成球效果好的无毒包埋材料,通过正交实验优化固定化配方提高机械强度.选择硝化菌群和芽孢杆菌最适使用浓度进行分别固定化并联合应用于对虾养殖废水的处理.[结果]高通量分析结果显示硝化菌群中变形菌门(Proteobacteria,61.10％)占绝对优势,具有自养硝化功能的类群丰度达12.69％并呈高多样性.还包含丰度达47.44％的具有反硝化功能或者潜在反硝化功能的优势菌群和丰度达12.85％的光合细菌,是高有机负荷下硝化作用的重要补充,并可通过反硝化作用实现真正脱氮.COD降解能力最强的是解淀粉芽孢杆菌(Bacillus amyloliquefacien) YL-10,48 h内COD降解率达100％.固定化最佳配方为贝壳粉5％、海藻酸钠3％、交联剂氯化钙为4％、优化后的固定化小球其机械强度可达129.68 mN.固定化使硝化菌群的氨氮和亚硝酸盐降解率分别提高了128.13％和130.11％ (P＜0.05),但对芽孢杆菌YL-10的COD降解率无明显提高.1×108 CFU/mL为硝化菌群和芽孢杆菌YL-10在养殖废水中最适使用浓度.在固定化硝化菌群和芽孢杆菌YL-10联合作用下,对虾养殖废水的氨氮、亚硝酸盐和COD浓度在48 h内分别由初始的6.32±0.12、5.69±0.11和65.29±1.14 mg/L降至0.03±0.03、0.06±0.01和0 mg/L (P＜0.05),降解率分别为99.57％、99.03％和100％.[结论]通过优化固定化有效提高硝化菌群的硝化作用,联合COD降解能力强的芽孢杆菌,同步高效降解对虾养殖废水中的有机物、氨氮和亚硝酸盐,为规模化应用于南美白对虾高密度养殖提供科学依据.

研究了1株克雷伯氏菌(Klebsiella sp.TN 10)的硝化反硝化性能,结果表明,该菌能高效降解铵态氮(NH+4)、硝态氮(NO-3)和亚硝态氮(NO-2).在初始NH+4质量浓度为77.93 mg/L的培养基中,Klebsiella sp.TN 10能够在20 h内降解93.3％的NH+4,其硝化速率为3.02 mg/(L·h);在初始NO-3和NO-2质量浓度分别为64.03和87.68 mg/L的培养基中,TN 10能够在40 h内降解95.44％的NO-3和93.44％的NO-2.测定了该菌株在不同生长周期的自聚集能力和聚集动力学,结果表明,该菌在衰亡期呈现更好的自聚集性.对菌株TN 10的胞外聚合物(EPS)组成进行了研究,结果表明,其蛋白质含量为23.84 mg(以每克干细胞质量计),多糖含量为18.64 mg(以每克干细胞质量计).红外图谱表明,EPS主要成分为蛋白质和多糖.测定EPS的圆二图谱,对EPS中蛋白质二级结构进行深入分析,结果表明 α 螺旋占主要比例,为55.08％.本研究对深入认识TN 10的特点具有重要意义,也可为硝化反硝化菌胞外聚合物研究提供重要参考.

异养硝化-好氧反硝化(HN-AD)是对传统自养硝化异养反硝化理论的丰富与突破.HN-AD菌在好氧条件下可快速实现氨氮、硝态氮(NO3--N)、亚硝态氮(NO2--N)三氮同步脱除.它们不仅具有分布范围广、适应能力强、代谢通路特殊等特点,而且还具有世代时间短、脱氮速率快、高活性持久等独特优势,在高盐、低温、高氨氮等极端条件表现出了巨大的脱氮潜力,因此在废水生物脱氮领域受到广泛关注.文中在介绍HN-AD菌属类别及代谢机理的基础上,重点总结了在高盐、低温、高氨氮等极端条件下进行氨氮脱除的HN-AD种属,系统分析了它们在极端条件下的脱氮特性及潜力,并简述了HN-AD菌在极端条件下的工艺应用研究进展,最后展望了HN-AD脱氮技术的应用前景和研究方向.

好氧反硝化生物脱氮技术自提出以来,凭借能实现同步硝化反硝化、节省基建投资及运行费用等诸多优点,受到国内外环境领域学者的广泛关注.本文首先总结了近年来好氧反硝化菌种的筛选分离情况,以及环境因子对好氧反硝化菌脱氮效能的影响,包括溶解氧(dissolved oxygen,DO)、碳氮比(C/N)、温度等.然后深入探讨了好氧反硝化生物脱氮技术的原理,好氧反硝化过程中的关键功能基因及酶,同时介绍了分子生物技术在好氧反硝化研究过程中的应用,以及好氧反硝化生物脱氮技术在实际应用方面的研究现状.最后,基于目前的研究瓶颈问题,对未来好氧反硝化生物脱氮技术的研究方向提出了科学展望.