异养硝化-好氧反硝化菌生物脱氮特性及相关催化酶系的研究进展

养殖废水中氮元素的积累可能造成水体富营养化。为了实现养殖废水中氮的去除,通常采用传统的自养硝化异养反硝化生物脱氮工艺,而异养硝化-好氧反硝化(heterotrophic nitrification-artobic denitrification, HN-AD)菌的出现实现了生物脱氮技术的突破。HN-AD菌能同步实现硝化和反硝化作用,具有分布范围广、适应能力强、世代时间短和脱氮速率快等优势,因此在养殖废水处理领域具有广阔的应用前景。本研究系统综述HN-AD菌的生物脱氮特性、影响因素、作用机制、相关催化酶系以及在实际废水处理中的应用,并从HN-AD菌株筛选、脱氮原理和实际应用等方面提出建议,旨在为HN-AD菌在养殖废水处理中的应用研究提供基础资料。[中国渔业质量与标准,2023,13(1):33-41]     

好氧反硝化技术处理水产养殖废水研究进展

好氧反硝化脱氮理论的出现,弥补了传统生物脱氮的不足。文章综述了好氧反硝化技术的研究进展及其在水产养殖污水处理中的应用,分别从微环境、生物化学和酶系统3个方面综述了好氧反硝化细菌作用机理方面的研究;概述了碳源、溶氧、碳氮比等环境因素对好氧反硝化效率的影响;总结了好氧反硝化反应器、固定化细菌以及外加碳源等好氧反硝化技术在水产养殖废水处理中的应用;突显了好氧反硝化在去除硝酸盐氮、从整体上调控氮的优势。好氧反硝化技术在水产养殖废水处理中优势显著,是水产养殖废水处理的有效途径。该技术在实际应用中还存在许多问题,仍需进一步研究。     

一株异养硝化-好氧反硝化菌株的分离鉴定及其对养殖废水的脱氮效果

养殖废水排放严重制约海水养殖业健康发展,为了筛选出适用于养殖废水高效脱氮的菌株,利用BTB培养基从对虾育苗尾水沉淀池塘底泥和海水养殖废水处理池中分离纯化得到5株好氧反硝化菌株。经异养硝化能力试验研究发现5种菌株均具有一定的硝化能力,其中WM2菌株氨氮去除效果显著,去除率达到76.3%,经形态学鉴定、16S rDNA基因序列分析和系统发育树构建分析,鉴定其为革兰氏阴性菌,属于海生杆菌(Marinobacterium)属,海生杆菌属作为脱氮细菌研究在以往的研究中鲜有报道。将菌株WM2接种到实际的半滑舌鳎工厂化养殖废水中,处理48 h后的氨氮去除率达到89.38%、硝态氮去除率为88.77%、亚硝态氮去除率为99.66%,脱氮效果显著。因此本研究筛选出的菌株WM2作为新型异养硝化-好氧反硝化细菌对养殖废水脱氮具有良好的应用潜力。     

1株好氧反硝化芽孢杆菌的脱氮特性研究

以具有较强反硝化能力的芽孢杆菌D5为出发菌株,研究了其牛长及好氧脱氮特性.研究结果表明,在高浓度的亚硝酸盐环境下其仍具有相当强的反硝化能力,且碳源为乙酸钠时脱氮能力最强.当碳源浓度0.2 mol/L、温度36℃、初始pH 7.0、溶氧5～7 mg/L时具有最佳的反硝化活性.和已报道的反硝化细菌相比,其具有更强的耐氧能力,同时也具有较高的反硝化速率.     

碳源对反硝化聚磷菌(RC11)磷酸盐代谢的影响

反硝化聚磷微菌由于具有同时脱氮和除磷的特点,能够最大程度的减少碳源需求,为解决生物脱氮除磷工艺的碳源竞争矛盾提供了新的思路和方法。以纯培养方式探讨了外源性碳源、硝酸盐对反硝化聚磷菌(RC11)磷酸盐代谢活动的影响。结果表明,好氧培养时,菌株RC11在外源碳源存在时发生了超量吸磷现象;缺氧培养时,菌株RC11可以利用硝酸盐而非亚硝酸盐作为电子受体进行反硝化聚磷。无外加碳源时,菌株RC11经历厌氧阶段后初期可以利用硝酸盐氧化到亚硝酸盐的过程中产生的能量进行摄磷;但当亚硝酸盐的积累达到高峰时,进入以亚硝酸盐为电子受体的反硝化阶段,由于亚硝酸盐氮不能作为氧分子的替代物进行反硝化除磷,菌株RC11实际上处于一个厌氧环境,会引发释磷;在厌氧条件下菌株RC11具有利用硝酸盐作为电子受体进行反硝化除磷的功能。     

玉米芯强化生物反应器对罗非鱼循环养殖废水脱氮效果研究

研究了以玉米芯同时作为反硝化碳源和生物膜载体的人工强化生物反应器对罗非鱼(Oreochromis spp.)循环养殖废水的脱氮效果,并对新型反应器脱氮微生物多样性进行了分析。结果表明,实验室条件下,人工强化挂膜方式可明显缩短装置的启动时间,新型脱氮装置具有良好的脱氮效果,氨氮可从(8.00±2.22)mg·L~(-1)降至3.50 mg·L~(-1),硝酸盐可从(31.50±1.57)mg·L~(-1)降至0.5 mg·L~(-1),较好地实现了高溶氧养殖废水的同步硝化反硝化作用,总氮去除率达85%以上。微生物群落结构分析表明,人工富集培养的硝化菌和反硝化菌均较为成功,随着装置运行时间的延长,玉米芯表面生物膜菌群也随之发生变化,参与脱氮的硝化细菌菌属主要由亚硝酸螺菌属(Nitrosospira)、亚硝酸单胞菌属(Nitrosomonas)、亚硝酸球菌属(Nitrosococcus)3个属组成;丰度最大的反硝化菌属为产碱菌属(Alcaligenes)、副球菌属(Paracoccus)、假单胞菌属(Pseudomonas)和脱氮硫杆菌(Thiobacillus denitrificans)。     

低C/N驯化生物絮团的自养和异养硝化性能研究

为减少生物絮团培养过程中的碳源添加和溶氧消耗,节约成本,逐步将C/N比值从15降至7.9,进行低C/N驯化培养。在此基础上,对低碳条件下培育的生物絮团在无外加碳源和碳源充足时的氮去除、NO_2~--N积累、碱度消耗等情况进行了研究,综合评价其自养硝化(autotrophic nitrification,AN)和异养硝化-好氧反硝化(heterotrophic nitrification-aerobic denitrification,HN-AD)效能。结果表明,低C/N驯化的生物絮团具有较高的AN活性和HN-AD活性,对NH_4~+-N去除率分别达97.10%和100.00%。氨氧化过程为AN的限速步骤,比氨氧化速率为13.17 mg·(g VSS·d)~(-1),小于比亚硝酸盐氧化速率[29.20 mg·(g VSS·d)~(-1)],HN-AD的比氨氧化速率达40.28 mg·(g VSS·d)~(-1),约为AN过程的3倍。由于同步硝化反硝化的存在,HN-AD的碱度消耗(3.34 g碱度·g~(-1)NH_4~+-N,以Ca CO_3计)小于AN(4.30 g碱度·g~(-1)NH_4~+-N),且HN-AD的TIN去除率达53.69%。HN-AD的NO_2~--N积累较多,最多达2.62 mg·L~(-1),积累率为46.37%,AN的NO_2~--N最高仅0.47 mg·L~(-1),积累率为3.31%。研究结果可为生物絮团定向驯化及其在水产养殖水处理中的应用提供理论参考。     

好氧反硝化细菌YX-6特性及鉴定分析

从对虾池塘筛选得到1株高效的好氧反硝化细菌,命名为YX-6。对该菌生长及反硝化性能间的关系进行研究;同时研究了不同温度、pH、盐度及碳源对该菌生长及反硝化性能的影响。结果表明,该菌反硝化作用主要发生在对数生长期,可将亚硝酸盐氮由10mg/L降至0;该菌最适生长及反硝化温度为30℃;pH值范围为7～9时最适于该菌生长及反硝化性能的发挥。该菌最适盐度范围为0～15;丁二酸钠、乙酸钠为该菌生长及反硝化的最适碳源。通过对YX-6菌株生理生化及16SrRNA分子鉴定,初步鉴定为凝结芽孢杆菌(Bacillus coagulans)。对该菌株亚硝酸还原酶基因进行序列分析,结果表明,该菌含有亚硝酸还原酶nirS基因。     

循环水养殖系统生物反应器脱氮技术

硝酸盐是氨态氮等有害物质经过硝化反应后形成的产物,硝酸盐氮对养殖对象的毒性相对较低,但高浓度硝酸盐氮也会影响养殖对象的生长。本文介绍了影响生物反应器脱氮的主要因素,重点介绍了生物反应器脱氮方法,包括异养反硝化、自养反硝化、厌氧氨氧化等三种常见的脱氮方法。     

一株反硝化细菌的筛选及其反硝化特性的研究

从土壤中分离到一株高活性反硝化菌DNF409,经生理生化和16S rDNA序列分析,初步判断为芽孢杆菌属(Bacillussp.)。在生长的各个阶段,该菌株均具有较强的反硝化活性,最适反硝化碳源为乙醇。在天然养殖水体中,碳氮摩尔比达到8.0∶1、菌体浓度达到108cfu/L时,其反硝化活性即可充分发挥,硝态氮和亚硝态氮的降解率可分别达到94.79%和99.94%。试验表明该菌株在养殖水体的生物脱氮方面具有广阔的应用前景。     

硫铁矿人工湿地对微污染水源的水质净化效果

为进一步提升人工湿地在微污染水源条件下的同步脱氮除磷能力,以硫铁矿作为湿地填料设计构建了人工湿地装置,并采用挂膜法对硫铁矿进行硫自养型反硝化细菌表面负载,在此基础上研究硫铁矿人工湿地对水体中污染物的去除规律和去除机理,并通过高通量基因测序技术分析硫铁矿表面微生物的群落结构。结果显示,从UASB活性污泥中筛选出的硫自养型反硝化菌活性最高,脱氮效果最好;在微污染水源条件下,硫铁矿潜流人工湿地具有较好的同步脱氮除磷能力,在水力停留时间为60 h条件下,其对水体中的化学需氧量(COD_Cr)、氨氮(NH₃-N)、硝态氮(NO₃-N)、总氮(TN)、总磷(TP)的平均去除率分别达到53.5%、60.9%、67.2%、49.2%、46.3%;矿石表面发现菌群群落达到13门以上,变形菌门(Proteobacteria)为矿石表面最为优势的功能微生物菌群,相对丰度比例占45%左右,硫杆菌属(Thiobacillus)为自养反硝化脱氮的主要功能菌属。研究表明,采用硫铁矿作为填料可显著提高人工湿地的脱氮除磷效果,对微污染水体有较好的水质净化效...     

Denitrification in recirculating systems: Theory and applications

Profitability of recirculating systems depends in part on the ability to manage nutrient wastes. Nitrogenous wastes in these systems can be eliminated through nitrifying and denitrifying biofilters. While nitrifying filters are incorporated in most recirculating systems according to well-established protocols, denitrifying filters are still under development. By means of denitrification, oxidized inorganic nitrogen compounds, such as nitrite and nitrate are reduced to elemental nitrogen (N₂). The process is conducted by facultative anaerobic microorganisms with electron donors derived from either organic (heterotrophic denitrification) or inorganic sources (autotrophic denitrification). In recirculating systems and traditional wastewater treatment plants, heterotrophic denitrification often is applied using external electron and carbon donors (e.g. carbohydrates, organic alcohols) or endogenous organic donors originating from the waste. In addition to nitrate removal, denitrifying organisms are associated with other processes relevant to water quality control in aquaculture systems. Denitrification raises the alkalinity and, hence, replenishes some of the inorganic carbon lost through nitrification. Organic carbon discharge from recirculating systems is reduced when endogenous carbon sources originating from the fish waste are used to fuel denitrification. In addition to the carbon cycle, denitrifiers also are associated with sulfur and phosphorus cycles in recirculating systems. Orthophosphate uptake by some denitrifiers takes place in excess of their metabolic requirements and may result in a considerable reduction of orthophosphate from the culture water. Finally, autotrophic denitrifiers may prevent the accumulation of toxic sulfide resulting from sulfate reduction in marine recirculating systems. Information on nitrate removal in recirculating systems is limited to studies with small-scale experimental systems. Packed bed reactors supplemented with external carbon sources are used most widely for nitrate removal in these systems. Although studies on the application of denitrification in freshwater and marine recirculating systems were initiated some thirty years ago, a unifying concept for the design and operation of denitrifying biofilters in recirculating systems is lacking.     

褐煤的碳缓释特征及其对池塘底泥脱氮作用的影响

厌氧氨氧化和反硝化作用是底泥生物脱氮的主要过程,碳源是调控厌氧氨氧化和反硝化作用的关键因子。本研究以褐煤为对象,对褐煤的静态碳释情况及其对池塘底泥中脱氮作用的影响进行了研究。结果显示,褐煤在室温条件下的碳释放规律符合二级动力学方程,具备作为反硝化碳源的可行性;在脱氮实验中,发现褐煤对底泥上覆水体中的亚硝酸盐氮(NNO₂^--N)的去除具有促进作用,NNO₂^--N的去除率随褐煤浓度的增加而升高,当褐煤质量浓度为40 g/L时,N\${\rm{O}}_2^ - $\-N去除率最高达99.61%,此时硝酸盐氮(NO₃^--N)的浓度也最低;同时发现,水体中氨氮(NH₄⁺-N)氧化的最适褐煤质量浓度为10 g/L,其去除率达99.39%;对底泥中的厌氧氨氧化菌群进行Illumina高通量测序发现,其中浮霉菌门占比最大(39.6%~71.8%),优势菌属为Candidatus Brocadia (13.9%~35.8%)和Desulfovibrio (17.1%~34.8%),添加褐煤组Candidatus Scalindua菌属比例高于未添加组;荧光定量PCR得出,随着褐煤质量浓度升高,底泥中的反硝化菌丰度呈增长趋势,而厌氧氨氧化菌丰度则低于无褐煤添加组,表明添加褐煤对底泥反硝化有促进作用,而对厌氧氨氧化有一定的抑制作用。研究表明,褐煤具备作为反硝化碳源的条件,可用于池塘养殖底泥脱氮作用。     

池塘养殖水体中土著反硝化细菌的分离与初步鉴定

池塘养殖水体水质恶化问题日益突出,尽管已有各种商品化微生态制剂,但水质净化修复效果始终未得到有效提高。通过采用定向分离、筛选、扩繁来自原生境的土著有益菌的方法进行生物修复,从而提高养殖废水的净化修复效果;该方法具有针对性强、效果佳、安全性高、成本低以及持续活性时间长、无二次污染等优点。2016年9月,从山西省运城黄河滩涂水产养殖主产区养殖中后期的池塘水体中定向分离筛选得到1株土著反硝化细菌,命名为YJ-1,使用奈氏试剂和格利斯试剂对其反硝化能力进行检测。结果显示,奈氏试剂显示黄色,格利斯试剂显示绛红色,说明在细菌培养24h后发酵液中产生了少部分的铵离子和较多的亚硝酸盐,菌落具有反硝化功能。经16SrDNA序列扩增与测定,片段长度为1 441bp。无根系统发育树分析显示,YJ-1与产酸克雷伯氏杆菌(Klebsiella oxytoca)的同源性最高,YJ-1的分离打破了现有微生态制剂成分大多数为各种商品菌的局势;在水产微生态制剂制备过程中定向加入土著反硝化细菌,可有效降低养殖水体中氨氮与亚硝酸盐含量、减少鱼体发病率;反硝化细菌在水产养殖水质净化、城市污水处理中具有较大的应用前景,本研究为其他土著有益菌的分离、筛选、鉴定及应用提供了可借鉴的思路。     

海水人工湿地脱氮效果与系统内基质酶、微生物分析

利用人工湿地系统探讨了海水养殖外排水中不同形态氮的去除效果,分析了系统内部微生物空间分布、基质酶活性对氮去除效率的影响,深入研究了系统内部各微生物间相互作用、基质酶活性与微生物空间分布关系。选择互花米草为人工湿地植物,种植密度为64株/m2;基质填料选择细纱、高炉矿渣和珊瑚石。在3种不同工况条件下,研究人工湿地系统中氮的去除效果、微生物数量和基质酶活性。结果显示,系统对 TN、NH4-N 平均去除率分别为(25.02±12.69)%、(82.91±17.51)%;系统中不同基质层次的微生物数量和脲酶、脱氢酶活性不同,基质中、上层好氧微生物数量和脲酶、脱氢酶活性显著大于下层,系统下行池中、上层硝化细菌、亚硝化细菌显著高于下层,中、上层反硝化细菌数量明显低于下层;细菌总数与 TN(R2=0.50)和 NH4-N(R2=0.61)去除率存在一定正相关性,基质脲酶与 TN 去除率存在显著正相关性(R2=0.86)。研究结果将有助于理解海水人工湿地处理系统中氮的迁移转化机制。     

海水养殖尾水人工湿地处理系统及其脱氮过程研究进展和展望

利用人工湿地处理海水养殖尾水具有很大的应用前景,其中,脱氮是人工湿地的主要任务之一。基质上栽培的植物和附着的微生物参与的氮循环是人工湿地生物脱氮的主要路径,植物和多种氮代谢菌群在人工湿地内部相互协同与制约,构成了一个复杂的氮代谢网络。海水养殖尾水的高盐度和低碳氮比(C/N)又决定了此类人工湿地独特的处理环境和生物脱氮机制。同时,人工湿地的供氧模式、水力负荷(HRT)、水力停留时间(HLR)等水力条件参数对脱氮效能也有很大影响,对这些指标进行调控和优化,可以提高湿地的整体脱氮性能。本文从海水人工湿地的构建、基质的选取、耐盐植物的筛选、氮循环相关微生物以及运行参数调控四个方面,对近年来海水养殖尾水人工湿地生物脱氮方面的研究进展进行了综述和展望,以期为深入理解海水人工湿地脱氮机制和优化运行方式提供参考。     

硝化细菌分子生态学研究进展

硝化细菌在促进水域生态系统的氮循环、保持健康水产养殖环境方面发挥着巨大作用。本文分析了硝化细菌分子生态学研究的意义,介绍了硝化细菌的主要种类及其系统进化关系,综述了硝化细菌分子生态学研究进展,并对中国的研究现状进行了分析。结合作者的工作实践,认为中国应加强对水产养殖环境硝化细菌分子生态学研究,为养殖环境的污染防治和微生态制剂的研制等提供理论依据。     

羊卓雍错细菌培养及其水体理化影响因子研究

摘要：开展羊卓雍错水体可培养细菌多样性研究,探究水体理化因子对水体可培养细菌多样性的影响。采用平板涂布法从羊卓雍错10个样点中分离细菌,结合16S rDNA区域序列分析和经典分类法对细菌菌株进行鉴定,运用R 3.6.1和SPSS 20.0等软件分析细菌多样性及其与理化因子之间的关系。结果显示,从羊卓雍错水体中共分离得到322株细菌,分属于12个属15个种,优势种为Aeromonas salmonicida、Raoultella terrigena以及Escherichia coli,分别占总菌株数的24%,22%和12%。相关性分析显示,羊卓雍错各样点水体可培养细菌总丰度与水体化学需氧量呈极显著正相关,与水体浊度、总氮呈显著正相关;各区域水体可培养细菌属数与水体电导率、总溶解固体量以及盐分含量呈显著正相关。本研究表明,羊卓雍错水体细菌资源比较丰富,水体可培养细菌多样性受水体理化因子与人为活动共同影响。