氨氧化细菌

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

Microbialnitrification

Abstract:Thispaperintroducesthetypesofnitrifyingmicroorganisms,

includingammonia-oxidizingbacteria,nitrousacid,oxidizingbacteria,

heterotrophicammonia-oxidizingbacteriaandanaerobic

logeneticanalysisofmicrobeswas

alsostudied,aswellasadvancesinmicrobialecologyofnitrification

andtheenzymesassociatedwit豆豉鲮鱼炒油麦菜 hnitrificationinthesamegroupof

y,theapplicationofmicrobialdenitrificationinwage

treatmentwasanalyzed.

Keywords：ammonia-oxidizingbacteria;phylogeneticanalysis;

nitrification;microbialdenitrification

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)、兴城古城 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(Pudomonasputida)、脱氮副球菌(Paracoccus

denitrificans)、粪产碱杆菌(Alcaligenesfaecalis)[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11d。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16SrDNAPCR扩增、序列测定,证实了厌氧氨氧化微生

物的存在,16SrDNA序列同源性分析表明,它们是一群独特的原核

生物[4]。

基于16SrRNA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)亚纲和亚纲,其中属于亚纲的

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(Nitrosomonauropaea)和运动亚硝化球菌

(Nitrosococcusmobilis)；以及亚硝化螺菌群(Nitrosospira),

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)属于变形菌纲的亚纲,硝化

刺菌属(Nitrospina)属于亚纲、硝化球菌属(Nitrococcus)属于

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-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16SrRNA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16SrDNA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，CO3

2-、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

加氧酶的催化下被氧化为肼(N2H4),进而在类羟氨氧化还原酶的催化

下被氧化为氮气[10]。

反应过程涉及的酶类：氨单加氧酶(ammoniamonooxygena,

AMO)羟氨氧化还原酶(hydroxylamineoxidoreducta,HAO），亚

硝酸盐氧化还原酶(nitriteoxidoreducta,NOR），类氨单加氧

酶(ammoniamonooxygena-likeenzyme），类羟氨氧化还原酶

(hydroxylamineoxidoreducta-likeenzyme)。

4生物脱氮在污水治理中的应用

微生物脱氮原理

微生物脱氮的过程基本上可以总结为三个过程:氨化作用，即

将有机氮化合物转化为氨氮的一个过程硝化作用，可将氨态氮转化

为硝态氮，是专性化能自养菌(亚硝化和硝化)以及异养氨氧化菌进行

的硝化作用方式反硝化，在厌氧或兼氧条件下以硝酸氮为电子受

体，最终还原为氮气或者氮的其他气态形式，此过程是厌氧氨氧化菌

进行的硝态氮的还原过程[9]。从反应机理来看，硝化过程仅改变了

废水中氮素的存在形式，反硝化作用才是真正的脱氮过程。因此完整

的氨氮去除过程需要在好氧条件下进行硝化处理，在厌氧条件下进行

反硝化处理。

传统生物脱氮工艺

生活污水中含有大量的有机氮和氨氮，当污水中的有机物被生

物降解氧化时其中的有机氮被转化为氨氮。活性污泥法是应用最早的

生物脱氮技术，是利用氨化、硝化和反硝化最为典型的污水处理技术。

主要构筑物为曝气池、硝化池、反硝化池和沉淀池，在曝气池中进行

氨化作用和有机物的降解，然后在硝化池中氨氮在亚硝化菌和硝化菌

的作用下转化为亚硝酸氮和硝酸氮，在反硝化池中最终转化为氮气；

该工艺分别在各自的构筑物中进行脱氮反应，反应速度快且彻底，脱

氮效果非常好，但是其存在的缺点是工艺流程长、所需构筑物多、投

资高等[11]。

同步硝化反硝化脱氮工艺

传统的研究结果表明硝化反应和反硝化反应所需的环境不同，它

们不能在同一个结构单元中共同实现。但随着对两类细菌及脱氮工艺

的深入研究，发现在好氧状态下污水中有30%的总氮会被去除，这和

传统的理论截然不同。再进一步的研究发现，在好氧的环境中也存在

反硝化的现象，其存在着一种好氧反硝化的细菌。随着同步硝化反硝

化理论的出现，在一些污水处理工艺中也发现了类似的现象。目前对

该理论的解释有三种：（1）环境理论：研究这认为在好氧的构筑物

中，曝气的不均匀，在环境中局部出现十一英语 了缺氧、厌氧和好氧的环境，

因此在工艺运行过程中，会在局部出现适合反硝化反应的条件。（2）

微观环境理论：该理论主要是针对骆驼祥子读后感300字 颗粒污泥形式的微观环境，研究着

认为在大于100m的颗粒污泥中，在颗粒中回形成内部缺氧或厌氧

的环境，进而在颗粒外部进行硝化反应，在内部进行反硝化作用，因

此，可实现同步硝化反硝化。（3）微生物理论：认为存在好氧环境

进进行反硝化的细菌，即好氧反硝化菌。在好氧环境中硝化菌和好氧

反硝化菌相互协作，实现了同步硝化反硝化[12]。

结论：

微生物脱氮在目前以及未来具有广阔的应用前景。虽然在这方面

国内已经进行了大量研究工作，在实际应用过程中不但就其微生物群

落功能展开研究，同时要考虑到水动力学和生物工艺学包含的广泛的

科学基础知识，优化处理方案的能力也鼠和兔合不合 是至关重要的，同时要应该加

强不同学科之间的交叉与合作,从工程应用、生态学及微生物学等角

度加大力度进行研究，争取有所突破,在环境治理上取得重大进展。

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