氨氧化細菌

高級微生物學綜述

微生物的硝化作用

學生姓名：任偉帆

學號：4

指導教師：唐文竹

所在學院：生物工程學院

專業：生物學

大連工業大學

微生物的硝化作用

摘要：本文主要介紹了硝化作用微生物的種類,包括氨氧化菌、亞硝

酸氧化菌、異養氨氧化菌和厭氧氨氧化菌。分析了硝化微生物的系統

發育，還介紹了在硝化作用微生物生態學研究進展，以及同類群細菌

中與硝化作用相關的酶類。文章的最后還分析了微生物脫氮在污水處

理中的應用。

關鍵詞：氨氧化細菌；系統發育分析；硝化作用；微生物脫氮

Microbialnitrification

Abstract:Thispaperintroducesthetypesofnitrifyingmicroorganisms,

includingammonia-oxidizingbacteria,nitrousacid,oxidizingbacteria,

heterotrophicammonia-oxidizingbacteriaandanaerobic

logeneticanalysisofmicrobeswas

alsostudied,aswellasadvancesinmicrobialecologyofnitrification

andtheenzymesassociatedwit豆豉鯪魚炒油麥菜 hnitrificationinthesamegroupof

y,theapplicationofmicrobialdenitrificationinwage

treatmentwasanalyzed.

Keywords：ammonia-oxidizingbacteria;phylogeneticanalysis;

nitrification;microbialdenitrification

前言

氮元素在自然界中大量存在，是非常豐富的元素之一,它在自然

界中主要以分子氮、有機氮化合物和無機氮化合物的形式存在。它們

在微生物、動物、植物體內相互轉移、轉化，構成了氮循環[1]。而

微生物在其中起著非常重要的作用，主要通過氨化作用、硝化作用、

反硝化作用以及固氮作用來實現的。而目前，水體污染越遠越嚴重，

處理難度越來越大，生物處理工藝受到了更多的重視。因此，通過深

入分析硝化作用微生物的種類及作用機理，不斷改進生物脫氮工藝具

有重要意義。

1硝化作用的微生物種類及其系統發育分析

硝化作用分為兩個階段,即亞硝化(氨氧化)和硝化(亞硝酸氧

化),分別由兩類化能自養微生物完成,亞硝化細菌進行氨的氧化,

硝化細菌完成亞硝酸氧化。在伯杰氏細菌鑒定手冊第9版[2]中將它

們統歸于硝化桿菌科9個屬:硝化桿菌屬(Nitrobacter)、興城古城 硝化刺菌屬

(Nitrospina)、硝化球菌屬(Nitrococcus)、亞硝化單胞菌屬

(Nitrosomonas)、亞硝化螺菌屬(Nitrosospira)、亞硝化球菌屬

(Nitrosococcus)和亞硝化葉菌屬(Nitrosolobus)，硝化螺菌屬

Nitrospira和亞硝化弧菌屬Nitrosovibrio共20種。。這些微生

物廣泛分布于土壤、湖泊及底泥、海洋等環境中。除了上述專性化

能自養微生物外,有些異養微生物也能進行硝化作用。如惡臭假單胞

菌(Pudomonasputida)、脫氮副球菌(Paracoccus

denitrificans)、糞產堿桿菌(Alcaligenesfaecalis)[3]等。這

些微生物可以在低碳條件下進行硝化作用，也可以在有機土環境中進

行硝化作用。此外,近年來還發現了厭氧氨氧化的現象,并證明是一

個生物過程,是由一些厭氧或兼性厭氧微生物在厭氧條件下完成的,

這些微生物以NO3

-或NO2

-為電子受體氧化氨獲得生長所需能量，生

長非常緩慢，最短的倍增時間也要11d。迄今為止,雖然采取了各

種辦法,但未能分離到厭氧氨氧化的純培養物。盡管如此，還是可以

對厭氧氨氧化微生物進行富集和特性研究,采用熒光原位雜交技術

(FISH)和16SrDNAPCR擴增、序列測定,證實了厭氧氨氧化微生

物的存在,16SrDNA序列同源性分析表明,它們是一群獨特的原核

生物[4]。

基于16SrRNA基因序列同源性(相似性)的系統發育分析表明,

所有的自養氨氧化細菌(亞硝化細菌)系統發育比較單一,它們均屬于

變形菌綱(Proteobacteria)亞綱和亞綱,其中屬于亞綱的

亞硝化細菌又可以分為兩個類群:亞硝化單胞菌群(Nitrosomonas),

包括歐洲亞硝化單胞菌(Nitrosomonauropaea)和運動亞硝化球菌

(Nitrosococcusmobilis)；以及亞硝化螺菌群(Nitrosospira),

包括所有的屬于亞硝化螺菌屬(Nitrosospira)、亞硝化弧菌屬

(Nitrosovibrio)和亞硝化葉菌屬(Nitrosolobus)的菌株,從進化距

離看,這3個屬完全應歸于1個屬[5]。

與亞硝化細菌不同,硝化細菌(亞硝酸氧化菌)的系統發育則要復

雜許多,研究結果表明,硝化細菌的4個屬分屬于不同的4個系統

發育類型:硝化桿菌屬(Nitrobacter)屬于變形菌綱的亞綱,硝化

刺菌屬(Nitrospina)屬于亞綱、硝化球菌屬(Nitrococcus)屬于

亞綱，硝化螺菌屬(Nitrospira)屬于硝化螺菌門(phylum

Nitrospira)[6]。以上這些充分說明了硝化作用微生物在進化上的系

統發育起源的異源性。

2硝化作用微生物的分子生態學研究

由于亞硝化細菌、硝化細菌或厭氧氨氧化菌的生長都非常緩慢，

使得分離純化較為困難,從而影響了對這類微生物研究的深入,而這

類微生物的生態作用及其重要性又是不言而喻的。同時由于分子生物

學技術的發展、進步以及在生態學研究領域的應用,為避開傳統的培

養技術直接對樣品進行檢測和研究開辟了嶄新的途徑。有學者應用特

異引物的PCR擴增方法,分析了水樣中-亞綱的氨氧化細菌,結果

表明,從南極等采集的樣品均可擴增出PCR產物,特異性探針雜交

表明,所擴增的PCR產物為氨氧化細菌的16SrRNA基因[7]。說明

了該亞綱氨氧化細菌分布的廣泛性。

沉積物中氨氧化細菌的群落結構,表明氨含量和污染程度越高其

氨氧化細菌含量也越高,DGGE（變性梯度凝膠電泳）和16SrDNA分

析表明主要是亞硝化單胞菌(Nitrosomonas)類群的增加。Hastings

等[8]應用MPN、PCR、核酸探針雜交等分子生物學技術對富營養化

的淡水湖的氨氧化作用進行了季節變化的研究,表明夏天具有較強的

硝化作用,水中的氨氧化細菌隨季節有較大的變化，主要是一些耐氨

濃度較高的亞硝化螺菌(Nitrosospira)增加了,而底泥的氨氧化細

菌隨季節的變化不大。

3硝化作用的機制及相關酶類

硝化作用是利用亞硝酸菌和硝酸菌將氨氮轉化為硝酸氮的過程，

該過程的微生物為好氧化能自養型微生物，利用氨氮、亞硝酸鹽為氮

源，CO3

2-、HCO-、CO2等作為無機碳源來獲得能量。其硝化過程的

特征為：該過程是一個好氧的反應，且需要大量的氧氣來完成；該反

應過程中微生物生長率低，生物量濃度較低，且受環境條件較敏感；

硝化過程是一個產酸的反應，在反應過程中需要補充大量的堿來保證

反應的順利進行。

在專性化能自養硝化作用中,反應是由亞硝化細菌和硝化細菌

分別完成的，其限速步驟是亞硝化細菌進行的氨的氧化，因此亞硝化

細菌在硝化作用研究中受到特別的關注。首先在氨單加氧酶(AMO)的

催化下將氨氧化成羥氨(NH2OH)，再經羥氨氧化還原酶(HAO)的催化下

將羥氨氧化成亞硝酸(NH2

-），進而由硝化細菌的亞硝酸鹽氧化還原

酶催化形成硝酸(NH3

-)。而在厭氧氨氧化細菌中的情況則較為復雜，

首先是亞硝酸被還原為羥氨,然后一分子氨和一分子羥氨在類氨單

加氧酶的催化下被氧化為肼(N2H4),進而在類羥氨氧化還原酶的催化

下被氧化為氮氣[10]。

反應過程涉及的酶類：氨單加氧酶(ammoniamonooxygena,

AMO)羥氨氧化還原酶(hydroxylamineoxidoreducta,HAO），亞

硝酸鹽氧化還原酶(nitriteoxidoreducta,NOR），類氨單加氧

酶(ammoniamonooxygena-likeenzyme），類羥氨氧化還原酶

(hydroxylamineoxidoreducta-likeenzyme)。

4生物脫氮在污水治理中的應用

微生物脫氮原理

微生物脫氮的過程基本上可以總結為三個過程:氨化作用，即

將有機氮化合物轉化為氨氮的一個過程硝化作用，可將氨態氮轉化

為硝態氮，是專性化能自養菌(亞硝化和硝化)以及異養氨氧化菌進行

的硝化作用方式反硝化，在厭氧或兼氧條件下以硝酸氮為電子受

體，最終還原為氮氣或者氮的其他氣態形式，此過程是厭氧氨氧化菌

進行的硝態氮的還原過程[9]。從反應機理來看，硝化過程僅改變了

廢水中氮素的存在形式，反硝化作用才是真正的脫氮過程。因此完整

的氨氮去除過程需要在好氧條件下進行硝化處理，在厭氧條件下進行

反硝化處理。

傳統生物脫氮工藝

生活污水中含有大量的有機氮和氨氮，當污水中的有機物被生

物降解氧化時其中的有機氮被轉化為氨氮。活性污泥法是應用最早的

生物脫氮技術，是利用氨化、硝化和反硝化最為典型的污水處理技術。

主要構筑物為曝氣池、硝化池、反硝化池和沉淀池，在曝氣池中進行

氨化作用和有機物的降解，然后在硝化池中氨氮在亞硝化菌和硝化菌

的作用下轉化為亞硝酸氮和硝酸氮，在反硝化池中最終轉化為氮氣；

該工藝分別在各自的構筑物中進行脫氮反應，反應速度快且徹底，脫

氮效果非常好，但是其存在的缺點是工藝流程長、所需構筑物多、投

資高等[11]。

同步硝化反硝化脫氮工藝

傳統的研究結果表明硝化反應和反硝化反應所需的環境不同，它

們不能在同一個結構單元中共同實現。但隨著對兩類細菌及脫氮工藝

的深入研究，發現在好氧狀態下污水中有30%的總氮會被去除，這和

傳統的理論截然不同。再進一步的研究發現，在好氧的環境中也存在

反硝化的現象，其存在著一種好氧反硝化的細菌。隨著同步硝化反硝

化理論的出現，在一些污水處理工藝中也發現了類似的現象。目前對

該理論的解釋有三種：（1）環境理論：研究這認為在好氧的構筑物

中，曝氣的不均勻，在環境中局部出現十一英語 了缺氧、厭氧和好氧的環境，

因此在工藝運行過程中，會在局部出現適合反硝化反應的條件。（2）

微觀環境理論：該理論主要是針對駱駝祥子讀后感300字 顆粒污泥形式的微觀環境，研究著

認為在大于100m的顆粒污泥中，在顆粒中回形成內部缺氧或厭氧

的環境，進而在顆粒外部進行硝化反應，在內部進行反硝化作用，因

此，可實現同步硝化反硝化。（3）微生物理論：認為存在好氧環境

進進行反硝化的細菌，即好氧反硝化菌。在好氧環境中硝化菌和好氧

反硝化菌相互協作，實現了同步硝化反硝化[12]。

結論：

微生物脫氮在目前以及未來具有廣闊的應用前景。雖然在這方面

國內已經進行了大量研究工作，在實際應用過程中不但就其微生物群

落功能展開研究，同時要考慮到水動力學和生物工藝學包含的廣泛的

科學基礎知識，優化處理方案的能力也鼠和兔合不合 是至關重要的，同時要應該加

強不同學科之間的交叉與合作,從工程應用、生態學及微生物學等角

度加大力度進行研究，爭取有所突破,在環境治理上取得重大進展。

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