[目的]异养硝化-好氧反硝化(heterotrophic nitrification-aerobic denitrification,HN-AD)微生物在生物脱氮中具有重要作用,而能同时去除废水中多种无机氮尤其是羟胺的HN-AD微生物报道较少.本研究从菜地中分离筛选出一株能同时去除羟胺和亚硝酸盐的HN-AD菌株EN-F4,探究其脱氮特征以及羟胺对其脱氮过程的影响,为提高废水处理效率奠定基础.[方法]通过形态学和16S rRNA基因测序对该菌株进行鉴定,并利用批量试验研究该菌株的脱氮特征,结合氮平衡、酶活性和特异性酶抑制剂探索菌株的HN-AD机理,最后通过添加羟胺研究其对不同氮源转化的影响.[结果]菌株EN-F4经鉴定为栖稻假单胞菌(Pseudomonas oryzihabitans),该菌株在25℃条件下对铵盐、羟胺、亚硝酸盐和硝酸盐的去除效率分别为99.27％、99.13％、87.01％和85.20％,对应的最大去除速率分别为8.27、1.85、5.10和5.31 mg/(L·h).更突出的是,外加羟胺后不会抑制该菌的反硝化能力,反而促进了亚硝酸盐和总氮的去除,其最大去除速率分别提升至7.80 mg/(L·h)和7.51 mg/(L·h).结合酶活性的成功检测、氮平衡和HN-AD特异性酶抑制剂分析证实了菌株具有优异的HN-AD能力.[结论]菌株Pseudomonas oryzihabitans EN-F4可以在25 ℃条件下高效地进行HN-AD去除废水中的多种无机氮,且羟胺能显著促进亚硝酸盐和总氮的去除.

从活性污泥中筛选到一株高效的耐低温脱氮菌株W4,评估了该菌株在5、15和25℃下的脱氮性能.结果表明,W4属于假单胞菌属(Pseudomonas),能够在4～42℃、盐度(NaCl)为0～30 g·L-1与pH 6～9条件下生长.在5 ℃条件下,菌株W4能够在72 h内将初始浓度为76.0 mg·L-1的NH4+-N去除74.3％,相应的脱氮平均速率达0.78 mg·L-1·h-1.好氧条件下菌株在5 ℃时可去除42.4％的NO3--N(86.3 mg·L-1)或38.2％的NO2--N(82.2 mg·L-1);在15、25℃条件下菌株脱氮能力进一步提高,对NH4+-N的去除率超过95％,对NO3--N和NO2--N的去除率分别超过66％和69％.菌株W4具有异养硝化-好氧反硝化(HA-ND)代谢活性,在硝化过程中不出现N02--N的积累,在中低温条件下去除无机氮污染具有较好潜力.本研究结果有助于丰富低温脱氮微生物资源并可为HA-ND脱氮工艺提供支撑.

水产养殖过程中氮元素超标易造成水质恶化,威胁水产动物的生长繁殖,亟需安全、高效的脱氮方法.从福建某水产养殖池底的污泥中筛选出一株氨氮降解菌,菌种鉴定后进行适应性驯化,并研究不同条件对菌株生长和氨氮降解的影响,随后又以亚硝态氮为唯一氮源检测菌株的好氧反硝化特性.菌株经 16S rRNA鉴定为阿氏芽孢杆菌Bacillus aryabhattai,命名为JN01;驯化后,菌株的生长、氨氮去除率均有不同程度提高,初始NH4+-N浓度为 200 mg/L的氮去除率最高达 87.29%;影响菌株脱氮的单因素实验结果表明,当NH4+-N浓度为 200 mg/L、丁二酸钠为碳源、碳氮比为 15∶1、pH 7.5、培养温度为 30℃时,菌株的氨氮降解率可以达到 92.78%.在亚硝态氮为唯一氮源的条件下,菌株JN01 也能进行好氧反硝化转化,NO2--N降解率为 82.30%.B.aryabhattai JN01 具有良好的异养硝化和好氧反硝化特性,具备同时解决养殖废水中氨氮和亚硝酸盐超标的应用潜力.

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.

为强化新的絮团形成菌伪杜擀氏菌YN12(Pseudoduganella eburnea YN12,YN)利用养殖尾水生成生物絮团效果,并将絮团制成饲料,探讨在胡子鲶(Clarisfuscus)饲养上的可行性.在生物絮团系统中,接种活性污泥(Activated sludge,AS)、伪杜擀氏菌YN12和枯草芽孢杆菌(Bacillus subtilis,BS)并配制成7组(AS、YN、BS、AS+YN、AS+BS、YN+BS和AS+YN+BS),分析絮团形态结构差异,评估出对模拟养殖尾水氮去除效果及微生物群落结构优势的最佳组合,最终收集最佳组合絮团烘干研磨成粉末添加到商业饲料制粒,分成对照组和絮团组两组,探讨对胡子鲶的生长性能、饲料利用率、肌肉营养成分及肝脏的消化酶和免疫酶活性的影响.结果表明:YN+BS组水质净化效果稳定,总氮去除效果(89.6％)良好,氨氮、亚硝酸盐和硝酸盐积累低,具有良好的絮团生成量(9.0 ml/L)及占据优势(47.5％)的反硝化菌群(包括Hydrogenophaga、Flavobacterium、Pseudoxanthomonas、Burkholderiaceae、Comamonas、Acinetobacter等).该组絮团粉以5％比例与商业饲料混合、研磨加工制粒后用于胡子鲶养殖,发现胡子鲶生长性能[包括存活率:(100±0.00)％＞(95±0.00)％;增重:(2.81±0.35)g＞(2.52±0.52)g;体长增加(1.68±0.36)cm＞(1.51±0.34)cm]和饲料系数55±0.03＞46±0.12均优于纯商业饲料的对照组,然而在淀粉酶等消化酶、免疫酶包括过氧化氢酶、总超氧化物歧化物、谷胱氨酸过氧化物酶等及肌肉营养成分包括谷氨酸、天冬氨酸、丙氨酸和甘氨酸等鲜味氨基酸上均低于对照组.YN+BS组絮团饲料在生长性能占据优势,然而在消化能力、免疫活性及肌肉营养成分上并未表现出明显优势,需要进一步调整水平絮团添加水平以优化胡子鲶饲养效果.

以弹性填料和流化床填料为硝化反应的生物挂膜材料,聚羟基丁酸/戊酸共聚酯(PHBV)为反硝化反应的碳源和生物膜载体,通过微生物自然挂膜处理低C/N比水产养殖废水,去除水体中的氨氮、亚硝酸盐氮及总氮.应用Miseq高通量测序技术对生物膜的微生物群落组成和结构进行分析.结果表明:温度25-30℃,该处理系统首次挂膜成功需要4周,启动后运行稳定,对2种不同来源和氮污染程度的养殖废水均有较好的脱氮效果,氨氮、亚硝酸盐氮及总氮的去除率均在90％以上.硝化生物膜(a)的优势菌分别归属变形菌门(Proteobacteria)、拟杆菌门(Bacteroidetes)和厚壁菌门(Firmicutes).反硝化生物膜(b)微生物群落的多样性指数和丰度指数均远大于前者,主要为变形菌门、厚壁菌门、拟杆菌门、螺旋体门(Spirochaetae)及绿菌门(Chlorobi).其中,归属于变形菌门p-变形菌纲(Betaproteobacteria)的丛毛单胞菌科(Comamonadaceae)和红环菌科(Rhodocyclaceae)在2种生物膜中占比均较高.由于所处环境(载体,碳源、溶氧等)不同,在属分类水平上,2种生物膜的细菌群落结构表现出明显差异.生物膜a中属的种类仅为b的三分之二,相对丰度＞0.5％的优势菌属,a为8个,b为18个.其中,隶属丛毛单胞菌科和红环菌科未知属的优势种群分别占到a、b总序列数的56.67％和45.51％.磁螺菌属(Magnetospirillum)和硝化螺菌属(Nitrospira)是a中特有的优势功能菌群,梭菌属( Clostridium)、动胶菌属(Zoogloea)、管道杆菌属(Cloacibacterium)、脱硫弧菌属(Desulfovibrio)等具有反硝化功能的菌群为b的优势菌属.

针对传统污水处理脱氮工艺过程中工艺流程复杂、处理高氨氮废水效率低等问题,利用三株不同种属的高效异养硝化-好氧反硝化细菌构建异养硝化复合菌YM,探讨其异养硝化-好氧反硝化特性及其生物强化脱氮效能研究,从而为异养硝化菌强化处理高氨氮废水工程应用提供理论依据.结果表明:异养硝化复合菌YM的增殖速率、异养氨氧化、好氧反硝化能力均优于单一菌种,YM强化后的污泥系统氨氧化速率较未强化系统从7.04 mg/L/h提高到12.2 mg/L/h,并且生物强化作用可有效提高污泥系统的抗冲击负荷能力,一定程度上提高了系统的处理能力.研究表明异养硝化菌强化污水脱氮处理具有显著的应用潜能,尤其对于目前尚缺少经济高效处理技术的高污染物浓度废水处理而言,无疑是一条具有高潜在应用价值的新途径.

目的:考察两种不同性质的外加碳源(乙酸钠和乙醇)在三种不同的电子受体(溶解氧、硝酸盐和亚硝酸盐)条件下对聚磷菌和异养菌的影响机制.创新点:系统研究了乙酸钠和乙醇这两种外加碳源在溶解氧、硝酸盐和亚硝酸盐三种不同电子受体条件下的释磷、吸磷及反硝化过程.方法:利用具有脱氮除磷功能的活性污泥,开展了一系列一阶段批次试验和两阶段批次试验.一阶段批次试验包括厌氧释磷试验、好氧吸磷试验、硝酸盐及亚硝酸盐利用速率(NUR)试验.两阶段批次试验包括厌氧/好氧试验、厌氧/缺氧试验.通过改变外加碳源的投加条件,如投加类型(乙酸钠和乙醇)、投加环境(厌氧、好氧和缺氧)、缺氧区电子受体(硝酸盐及亚硝酸盐),考察两种不同类型的外加碳源在不同电子受体条件下对除磷和脱氮过程的影响.结论:(1)当乙酸钠作为外加碳源时,在溶解氧、硝酸盐和亚硝酸盐三种不同电子受体条件下均发生了释磷,释磷速率分别为1.70、7.80和3.50 mg P/(g MLVSS·h).当乙醇作为外加碳源时,三种电子受体条件下均未发现有释磷.(2)无论乙酸钠还是乙醇作为外加碳源,未经驯化的活性污泥聚磷菌均不能利用亚硝酸盐作为电子受体,25 mg NO2-N/L的亚硝酸盐完全抑制了吸磷过程的进行.(3)以硝酸盐作为电子受体时,乙酸钠和乙醇的NUR值分别为2.3和1.5 mg N/(g MLVSS·h),比亚硝酸盐作电子受体的NUR值(分别为1.2和1.0 mg N/(g MLVSS·h))分别高出92％和50％.乙酸钠作为碳源的NUR值总是比相同条件下以乙醇作为碳源的NUR值高.

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.

选择闽江河口鳝鱼滩湿地与道庆洲湿地为对象,采集湿地沉积物在室内进行沉积物硝化培养,分析不同盐度水平对湿地沉积物硝化作用的影响.结果表明:闽江河口湿地沉积物硝化速率普遍较低,鳝鱼滩湿地沉积物最高硝化速率只有0.193 mg·kg-1·d-1,而道庆洲湿地沉积物硝化速率最高不超过0.050 mg·kg-1·d-1.盐度的升高会抑制闽江河口湿地沉积物的硝化作用.低盐度时(5),硝化速率下降的主要原因是硝化细菌活性受到抑制;随着盐度的升高(10),硝化速率略有上升但仍低于初始值,这是由于随着盐度的升高,盐度对好氧氨化细菌活性的抑制程度有所加强,导致系统产生NH4+-N的速率下降,从而造成好氧氨化细菌对表观硝化速率下降的贡献减少.沉积物硝化活性对于盐度的响应存在地域差异.咸水湿地(鳝鱼滩湿地)沉积物中的微生物对盐度的变化适应性较强,从而使该湿地沉积物硝化活性在高盐度条件下仍然较高.淡水湿地(道庆洲湿地)沉积物对盐度变化的适应性较弱,导致其沉积物硝化活性在高盐度条件下低于中等盐度.闽江河口鳝鱼滩与道庆洲的短叶茳芏湿地沉积物硝化作用较低的主要原因是沉积物呈酸性及淹水状态下的缺氧条件弱化了沉积物的硝化作用.两处湿地的硝化速率与硝化活性随时间的变化趋势为先升高后下降,这是由初始NH4+-N浓度、氧气含量和反硝化共同作用造成的.