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溶解氧和反硝化菌的关系:反硝化是否可以在富氧的条件下进行?

出处:施工评说 作者:施卫民 广东十一选五网 2019-01-04 11:42:00

作者:广州胜维饲料高级工程师 施卫民

前几天有朋友问到,反硝化是否可以在富氧的条件下进行,这些问题好像一句话也说不清楚,不来也应该咨询微生物专业的人员好一点,不过既然朋友信赖了,这里也就把平时看到的一些专业知识总结一下,以一管之见回报朋友的信赖吧。不一定准确仅供参考。

反硝化作用也称硝酸盐呼吸。反硝化是通过反硝化菌的代谢完成的,没有反硝化菌就没有反硝化反应。在自然界中,其实有很多细菌都具有反硝化能力,所以反硝化菌在种类学上并没有专门的类群。

水体中反硝化的过程
反硝化过程是一个涉及硝酸盐还原酶、亚硝酸盐还原酶、一氧化氮还原酶、一氧化二氮还原酶这4种酶的四步生化还原反应。
反硝化的第一步:硝酸盐在硝酸盐还原酶的作用下,被还原成亚硝酸盐
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在这个反应中,需要两个外源电子将硝酸盐中N5+还原为亚硝酸盐中N3+,同时脱下的一个O2-与细胞质中水分解产生的2H+结合生成H2O,其中:硝酸盐还原酶
的合成会受水体中的溶解氧限制,其只有在无氧的条件下才能合成。这就是为什么一般教科书上提到:反硝化反应必须在低溶解氧条件下才能够完成脱氮反应的原因。
反硝化的第二步:亚硝酸盐在亚硝酸盐还原酶的作用下被还原成一氧化氮(NO)
一氧化氮是反硝化过程中的第一个气态有剧毒中间产物。
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该反应需要一个电子将亚硝酸盐中N3+还原成N2+,同样需要2H+与O2-结合生成H2O。
反硝化的第三步:在一氧化氮还原酶的作用下,NO被还原成N2O。
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该反应需要2e和2H+将NO还原成N2O和H2O。
反硝化的第四步:在一氧化二氮还原酶作用下,N2O被还原成N2。
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该反应所需的2e用于N2O(正一价N)到N2(0价N)的还原,
就生成了氮气这种在自然界中氮的最稳定物质。
从上面看到,反硝化这个生化反应过程中,硝酸盐(NO3-)通过硝酸盐作为电子受体使NO3-还原成N2。
但由于硝酸盐电子受体比O2(溶解氧)电子受体具有较低的正还原电势,故合溶解氧会抑制了反硝化。
不过在2007年武汉大学从活性污泥中分离得到1 株好氧反硝化细菌,据报道:这种菌株在好氧条件下能有效去除培养液中的硝酸盐氮, 其脱氮率可达90%以上。通过对该菌株的形态观察, 生理生化实验以及16SrDNA 序列分析, 确定该菌株为假单胞菌(Pseudomonas sp.),见下图:
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 报道中:对影响该菌株反硝化的因素研究结果如下:
pH 值对好氧反硝化的影响
该菌株的反硝化最适宜的初始pH值为7.0。
温度对好氧反硝化的影响
在25~35℃的温度范围内,该菌株都具有很高的脱氮效率。
DO浓度对好氧反硝化的影响
溶解氧对该菌株的反硝化基本没有抑制作用,在DO2.3~11.3mg/L内,都可以选择硝酸盐作电子受体,氧的存在不会抑制硝酸盐还原酶活性。表明菌株的反硝化酶系和有氧呼吸系统同时存在,氧不是抑制反硝化酶活性和反硝化酶生成的直接因素。
C/N 对好氧反硝化的影响
碳氮比对细菌的物质和能量代谢影响很大,实验室结果表明:该菌株最佳的碳氮比为5.5~6.0。
 
结束语

一、从活性污泥中筛选得到这株高效好氧反硝化细菌,经形态观察、生理生化实验以及16SrDNA序列分析等确定其属于假单胞菌属(是不是看起来这个假单胞菌属这个名字和上面的照片很熟悉?)。

二、该菌株能在完全好氧的条件下以硝酸盐作为电子受体进行反硝化,最终将硝酸盐转化为氮气。在此过程中,会出现亚硝酸盐的积累,但随后亚硝酸盐能被完全还原.在间歇培养条件下,其脱氮率能达到90%以上。

三、该菌株进行反硝化时的最适初始pH值为7.0,最适温度为30℃。溶解氧对该菌株的好氧反硝化基本没有抑制作用,在DO浓度为2.3~11.3mg/L的范围内,均能进行高效的反硝化.碳氮比对好氧反硝化的影响很大, 最佳的碳氮比为5.5~6.0。

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