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从具有高效同步硝化反硝化功能的膜生物反应器中分离出2株具有脱氮性能的异养型菌株,分别命名为YL和NR。经过生理生化及16SrRNA鉴定,其分别属于雷氏普罗威登斯菌(Providencia rettgeri)和粪产碱杆菌(Alcaligenes faecalis)。这2株菌的基因序列已提交GenBank,其基因序列登陆号分别为FJ151630和FJ151629。
雷氏普罗威登斯菌YL和粪产碱杆菌NR都能以有机碳为碳源,在好氧的条件下将氨氮最终转化为气态产物,从而实现氨氮的一步脱除。这种由异养菌在好氧条件下完成的从NH4+或有机氮到气态氮的转化过程,我们将其定义为异养脱氮(Heterotrophic nitrogen removal,简称HNR)。论文以国家自然科学基金项目(No.20676078)为背景,系统地考察了这2株异养菌的生长及脱氮性能,并通过对代谢氨氮过程中的中间产物和其中的一些关键酶的研究,初步探讨了存在于这2株异养菌中的异养脱氮途径。有关雷氏普罗威登斯菌属的脱氮性能还未见报道。通过研究发现生物脱氮可能存在一种不同于传统生物脱氮途径的脱氮新途径,即:NH4+→NH2OH→N2O→N2。这一脱氮途径与传统脱氮途径不同之处在于氨氮在好氧的条件下经由羟胺向气态产物转化。而在传统的生物脱氮途径中,氨氮是经由亚硝酸盐,在厌(缺)氧的条件下向气态产物转化的。这一好氧条件下脱氮新途径的发现,改变了传统生物脱氮的固有模式,为进一步研究自然界的氮素循环,探索好氧条件下异养菌株的脱氮机制,开发新型污水处理工艺打下基础。主要研究结果如下:
(1)从非自养性、异养性、脱氮性、好氧性和氮平衡等多方面证明了雷氏普罗威登斯菌YL和粪产碱杆菌NR具有异养脱氮的性能。在30℃和120 rpm的好氧条件下,雷氏普罗威登斯菌YL以葡萄糖为碳源,粪产碱杆菌NR以柠檬酸三钠为碳源,对不同浓度的NH4+-N均有良好的去除效率。当NH4+-N浓度分别为20、40、60、180、240和300 mg/L时,菌株YL对TN的去除率分别为98.3％、98.1％、98.4％、97.8％、95.1％和87.2％；菌株NR对‘TN的去除率分别为91.9％、80.5％、80.6％、81.5％、81.0％和80.1％。
(2)由氮平衡可知,雷氏普罗威登斯菌YL能将绝大部分的NH4+-N转化成生物氮和氮气；粪产碱杆菌NR能将绝大部分的NH4+-N转化成生物氮、硝酸盐氮和氮气。当初始NH4+-N浓度分别为180、240和300 mg/L时,菌株YL通过异化作用去除的NH4+-N的比例分别为44.6％、52.2％和55.8％,通过同化作用去除的NH4+-N的比例分别为46.7％、39.9％和33.9％。当初始NH4+-N浓度分别为180、240和300 mg/L时,菌株NR转化成N2的NH4+-N的比例分别为29.1％、30.9％和33.4％,转化成生物氮的NH4+-N的比例分别为53.5％、47.3％和40.6％,转化成硝酸盐氮的NH4+-N的比例分别为14.5％、18.0％和18.5％。
(3)雷氏普罗威登斯菌YL在以葡萄糖为碳源,C/N比为10,温度为30℃,pH值为7.0,转速为l20 rpm时,取得了较高的脱氮效率。Mg2+对菌株YL生长和脱氮的贡献最大,Mn2+次之。粪产碱杆菌NR在以柠檬酸三钠为碳源,C/N比为10,温度为30℃,pH值为7.0～8.0,转速为90～120 rpm时,取得了较高的脱除效率。Mg2+对菌株NR生长和脱氮的贡献最大,Zn2+次之。
(4)雷氏普罗威登斯菌YL存在硝酸盐还原酶和亚硝酸盐还原酶。在好氧的条件下,硝酸盐还原酶的平均酶活力为0.13 U,酶比活力为0.031U/mg protein；亚硝酸盐还原酶的平均酶活力为0.15 U,酶比活力为0.041U/mg protein。粪产碱杆菌NR在好氧的条件下不能利用亚硝酸盐和硝酸盐,也检测不到酶活力；但能测到羟胺氧化酶的平均酶活力为0.063 U,酶比活力为0.016U/mg protein。
(5)雷氏普罗威登斯菌YL对NH4+的利用途径:一方面,菌株YL利用NH4+合成自身的生物氮；另一方面,将NH4+经过NH2OH和NO2-快速转化成NO3-,同时在好氧的条件下,再将生成的NO3-最终转化成N2。粪产碱杆菌NR对于NH4+的利用途径:一是菌株NR利用NH4+合成自身的生物氮；二是将NH4+经过NH2OH和NO2-陕速转化成NO3-,即异养硝化；三是在好氧的条件下,菌株NR将NH4+经过NH2OH转化成N2O,并最终生成N2。