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摘要 介绍了氨氮与水体富营养化的关系及以硝化作用为首的生物脱氨氮效应。阐述了硝化细菌通过对氨氮的降解和转化能有效缓解和控制富营养化进程，遏制藻类污染，净化水质。强调了硝化作用对缓解水体富营养化状况的贡献。综述了有关硝化细菌的国内外研究状况，拟通过对硝化细菌及硝化作用的介绍，为生物法去除氨氮的进一步研究提供理论基础。
关键词 硝化细菌；硝化作用；富营养化水体；氨氮
中图分类号 Q939.11 1 文献标识码 A 文章编号 1007-5739（2013）20-0208-01
Studies on Dislodging of Ammonia Nitrogen by Nitrifying Bacteria
LIN Li-jia SHEN Yuan-ying *
（The Public Health School，Dali University，Dali Yunnan 671000）
Abstract This paper introduced the relationship between ammonia nitrogen and eutrophication of water and the removal of ammonia nitrogen by bioremediation beginning with nitrification .We explained the efficacy of nitrifying bacteria by degradating and converting ammonia nitrogen to remit eutrophication，to suppress the overgrowth of alga and purify water. From above all，we emphasized the negative role of ammonia nitrogen to boost eutrophication and the positive biodegradation of it by nitrifying bacteria. The article summed up the progress related nitrifying bacteria at home and abroad aiming to supply some basic theories for the further study of dislodging of ammonia nitrogen by biological method in eutrophic sewage.
Key words nitrifying bacteria；nitrification；eutrophic water；ammonia nitrogen
富营养化是目前淡水湖泊普遍治理的难题，是水体接纳过量氮、磷等营养物质，使藻类及其他水生生物异常繁殖，水体透明度和溶解氧下降，造成水质恶化的现象[1]，污染指标以无机氮为主。NH4 -N和NO2--N是污水中主要成分，也是引起富营养化的关键因素。其中，氨氮来源广[2]，易富集于沉积物中形成内负荷[3]，且其在悬浮颗粒微界面上作用复杂，所以是控制富营养化水体中藻类繁殖的重要因素[4]。硝化细菌则能将其氧化为自身所用，参与环境氮循环的重要环节。
1 生物脱氮能有效降低氨氮负荷
目前，膜分离、空气吹脱和蒸汽气提等去除氨氮的物理方法相关技术尚不成熟；离子交换、折点加氯和化学沉淀等化学方法由于造价高，易形成二次污染等原因降低了实用性[5]。生物脱氮被公认为是去除氨氮最经济有效的方法[6]，是由硝化细菌将氨氮氧化为硝酸盐氮，再经反硝化细菌最终还原成氮气逸出的一系列生物处理过程[7]。它通过微生物的硝化和反硝化作用实现脱氮，利用生物自身代谢活动促使水体自净，正作为一种绿色、生态的新方法受到广泛青睐。反应流程如图1所示。
2 硝化作用是生物脱氮的关键
硝化作用指氨（或铵）由2类硝化细菌经2个阶段转化为硝酸盐的生物氧化过程[8]。随着对富营养化问题的深入研究，许多新兴生物脱氮技术正逐渐被运用到城市污水处理中。尽管技术种类繁多，但硝化作用始终是整个生物脱氮过程中最关键的一步，在促进水域氮循环、缓解氨氮压力、保持健康水生环境等方面发挥着巨大作用，已成为近年来国内外的一大研究热点。
3 生物脱氮的相关技术
3.1 微生态制剂
在欧美和日本等国家，微生物制剂很早就用于水产养殖业，其主要利用光合细菌、硝化细菌、乳酸杆菌、酵母菌和放线菌等复合菌产生的酶、氨基酸、促生长因子等，降低水中的有害物质，发挥抗氧化作用，从而增强水生动物的抗病能力，使养殖生产良性发展，取得更好的经济和生态效益[9]。
3.2 硝化细菌固定化法
该法是国内处理养殖废水运用得较多的一种方法[10]，主要利用海藻酸钠-CaCl2法将硝化细菌固定在人为制备的载体上，该法充分显示了硝化细菌和硝化作用在氨氮降解中的贡献。
3.3 土著微生物修复技术
土著微生物用于治理环境污染符合因地制宜的机理。沈 越[11]利用自培养的硝化细菌和部分混合菌液开展的小型湖泊生物修复实验显示出土著菌对控制藻类繁殖、降低浊度、改善水生态环境的良好效果。
3.4 菌藻联合技术
藻能产生大量溶解氧，改善水生态环境，抑制和减轻氨氮等对鱼类的危害。因此，人们试图在水产养殖中通过投放微藻等有益藻，利用其除氮增氧作用协助硝化细菌等微生物将氨氮从水体中脱除[12]。
3.5 短程硝化反硝化
SHARON工艺适于高温高氨的污水处理，利用硝酸菌和亚硝酸菌生长温度的差异，即在30～40 ℃较高温度下硝酸菌的生长速率明显降低，从而使亚硝酸菌占优势，将氨氧化控制在亚硝酸盐阶段，然后直接进入反硝化，缩短脱氨氮过程[13]。 3.6 同时硝化反硝化
SND通过控制DO浓度及微生物絮体结构实现硝化和反硝化在一个反应器中同时进行，具有节省反应器体积和供氧量、缩短反应时间、无需投加碱等优点。目前，国外对活性污泥法的SND研究已达到实际应用水平，并取得了较好的结果。但该工艺需要严格控制絮体结构、DO、碳氮比、温度、pH值等反应条件[14]。
3.7 厌氧氨氧化
ANAMMOX的发现使人们对氮循环有了更深的理解，该技术可实现高氨氮废水的低C/N脱氮，碳源和动力消耗低，二次污染少。但厌氧氨氧化菌生长缓慢、反应周期长等问题制约着其发展与运用[15]。
4 硝化细菌是脱氨氮的主力军
硝化细菌是整个氨氮去除过程中不可或缺的角色，其作为单细胞微生物，对环境状况的变化比动、植物敏感[16]，能及时地降解氨氮，减轻水体富营养化状况。包括氨氧化细（亚硝酸菌，AOB）和亚硝酸氧化菌（硝酸菌，NOB）两大类。AOB由亚硝化单胞菌属、亚硝化螺菌属、亚硝化球菌属和亚硝化叶状菌属组成，NOB包括硝化杆菌属、硝化螺菌属和硝化球菌3个属[17]。这些细菌中有自养的也有异养的，虽然自养菌在含氮营养物降解过程中占据主要地位[18]，但过多有机物会使繁殖速度较快的异养菌成为优势种属，它们生长快，对溶解氧需要少，易于培养且有的同时具备硝化和反硝化能力，因而在污水生物脱氮中有很高的应用价值[19]。目前已经被正式报道的硝化细菌[18]有以下2类：①自养硝化细菌，包括亚硝化单胞菌、红假单胞菌；②异养硝化细菌，包括硝化杆菌、硝化球菌、硝化刺菌、粪产碱菌、假单胞菌、芽孢杆菌、假诺卡氏菌、生丝微菌属、节杆菌、比基尼链霉菌、短芽孢杆菌属。
近年来又有研究发现厌氧氨氧化现象，并已在海洋陆架区、近岸河口和港湾沉积物中检测到这类细菌的普遍存在[20]，为利用厌氧氨氧化途径奠定了基础。
5 结语
氨氮是水环境中无机氮的主要存在形态，是导致水体富营养化和水质恶化，威胁水生生物生存和人类健康而一般物理、化学方法难以去除的重要污染物。由硝化细菌主导的硝化作用在传统和新兴生物脱氮技术中都是不可取代的步骤。但目前基于传统硝化反硝化的生物脱氮技术能源消耗大，运行成本高，而新兴的生物脱氮技术也存在诸多需要改进的弊端。因此，如何发挥硝化细菌的作用，开发一种高效、节能的氨氮降解方法成为今后拯救富营养化水体的奋斗目标。
6 参考文献
[1] 国家环境保护总局.水和废水监测分析方法[M].4版.北京：中国环境科学出版社，2002.11.
[2] 杨玉珍，王婷，马文鹏，等.水环境中氨氮危害和分析方法及常用处理工艺[J].山西建筑，2010，36（20）：356-357.
[3] 李原，李任伟，尚榆民，等.洱海环境沉积物学研究——表层沉积物营养盐与粒度分布[J].沉积学报，2000，18（3）：346-348.
[4] 史红星，刘会娟，曲久辉，等.无机矿质颗粒悬浮物对富营养化水体氨氮的吸附特性[J].环境科学，2005，26（5）：72-76.
[5] 张宏艳，李蓉晖.去除废水中氨氮方法的比较[J].化学工业，2012（6）：34-36.
[6] 刘刚.生活饮用水中的氨氮污染问题探讨[J].中国高新技术企业，2011（18）：146-148.
[7] 王洪，李海波.氨氮废水生物处理工艺及研究进展[J].河南师范大学学报：自然科学版，2008，36（5）：97-100，103.
[8] REVSBECH N P，JACOBSEN J P，NIELSEN L P.Nitrogen transfor-mations in microenvironments of river beds and riparian zones[J].Ecol Eng，2005（24）：447-455.
[9] 朱国霞.有益菌对养殖水体净化作用的初步研究[D].天津：天津南开大学，2008：2.
[10] 王伟宁.固定化硝化细菌对氨氮的去除[J].广西轻工业，2007，23（7）：29-29，87.
[11] 沈越.土著微生物修复城市小型湖泊实验研究[J].环境保护科学，2011，37（2）：51-54.
[12] 尹伦甫，张良平.菌藻联合调控氨氮新技术[J].当代水产，2012（1）：52-53.
[13] HELLINGA C，SCHELLEN A J，MULDER J W，et a1.The SHARON process：An innovative method for nitrogen removal from all ammonium-rich Wastewater[J].Water Sci Technol，1998，37（9）：135-142.
[14] QI R，YANG K，YU Z，et al. Treatment of coke plant wastewater by SND fixed biofilm hybrid system[J].Journal of Environmental Sciences，2007， 19（2）：153-159.
[15] 翁皓琳，张玉荣，李强，等.厌氧氨氧化脱氮技术的研究进展[J].净水技术，2012（3）：5-9.
[16] 马英，钱鲁闽，王永胜，等.硝化细菌分子生态学研究进展[J].中国水产科学，2007，14（5）：872-879.
[17] 马放，任南琪，杨基先.污染控制微生物学实验[M].哈尔滨：哈尔滨工业大学出版社， 2002：39.
[18] 王娟.硝化细菌的筛选及其降解特性的初步研究[D].成都：西南交通大学，2006.
[19] 温东辉，唐孝炎.异养硝化及其在污水脱氮中的作用[J].环境污染与防治，2003，25（5）：283-285.
[20] TAL Y，WATTS J E，SCHREIER H J.Anaerobic ammonia-oxidizing bacteria and related activity in Baltimore Inner Harbor Sediments[J].Appl Environ Microbiol，2005，71（4）：1816-1821.
关键词 硝化细菌；硝化作用；富营养化水体；氨氮
中图分类号 Q939.11 1 文献标识码 A 文章编号 1007-5739（2013）20-0208-01
Studies on Dislodging of Ammonia Nitrogen by Nitrifying Bacteria
LIN Li-jia SHEN Yuan-ying *
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Abstract This paper introduced the relationship between ammonia nitrogen and eutrophication of water and the removal of ammonia nitrogen by bioremediation beginning with nitrification .We explained the efficacy of nitrifying bacteria by degradating and converting ammonia nitrogen to remit eutrophication，to suppress the overgrowth of alga and purify water. From above all，we emphasized the negative role of ammonia nitrogen to boost eutrophication and the positive biodegradation of it by nitrifying bacteria. The article summed up the progress related nitrifying bacteria at home and abroad aiming to supply some basic theories for the further study of dislodging of ammonia nitrogen by biological method in eutrophic sewage.
Key words nitrifying bacteria；nitrification；eutrophic water；ammonia nitrogen
富营养化是目前淡水湖泊普遍治理的难题，是水体接纳过量氮、磷等营养物质，使藻类及其他水生生物异常繁殖，水体透明度和溶解氧下降，造成水质恶化的现象[1]，污染指标以无机氮为主。NH4 -N和NO2--N是污水中主要成分，也是引起富营养化的关键因素。其中，氨氮来源广[2]，易富集于沉积物中形成内负荷[3]，且其在悬浮颗粒微界面上作用复杂，所以是控制富营养化水体中藻类繁殖的重要因素[4]。硝化细菌则能将其氧化为自身所用，参与环境氮循环的重要环节。
1 生物脱氮能有效降低氨氮负荷
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3 生物脱氮的相关技术
3.1 微生态制剂
在欧美和日本等国家，微生物制剂很早就用于水产养殖业，其主要利用光合细菌、硝化细菌、乳酸杆菌、酵母菌和放线菌等复合菌产生的酶、氨基酸、促生长因子等，降低水中的有害物质，发挥抗氧化作用，从而增强水生动物的抗病能力，使养殖生产良性发展，取得更好的经济和生态效益[9]。
3.2 硝化细菌固定化法
该法是国内处理养殖废水运用得较多的一种方法[10]，主要利用海藻酸钠-CaCl2法将硝化细菌固定在人为制备的载体上，该法充分显示了硝化细菌和硝化作用在氨氮降解中的贡献。
3.3 土著微生物修复技术
土著微生物用于治理环境污染符合因地制宜的机理。沈 越[11]利用自培养的硝化细菌和部分混合菌液开展的小型湖泊生物修复实验显示出土著菌对控制藻类繁殖、降低浊度、改善水生态环境的良好效果。
3.4 菌藻联合技术
藻能产生大量溶解氧，改善水生态环境，抑制和减轻氨氮等对鱼类的危害。因此，人们试图在水产养殖中通过投放微藻等有益藻，利用其除氮增氧作用协助硝化细菌等微生物将氨氮从水体中脱除[12]。
3.5 短程硝化反硝化
SHARON工艺适于高温高氨的污水处理，利用硝酸菌和亚硝酸菌生长温度的差异，即在30～40 ℃较高温度下硝酸菌的生长速率明显降低，从而使亚硝酸菌占优势，将氨氧化控制在亚硝酸盐阶段，然后直接进入反硝化，缩短脱氨氮过程[13]。 3.6 同时硝化反硝化
SND通过控制DO浓度及微生物絮体结构实现硝化和反硝化在一个反应器中同时进行，具有节省反应器体积和供氧量、缩短反应时间、无需投加碱等优点。目前，国外对活性污泥法的SND研究已达到实际应用水平，并取得了较好的结果。但该工艺需要严格控制絮体结构、DO、碳氮比、温度、pH值等反应条件[14]。
3.7 厌氧氨氧化
ANAMMOX的发现使人们对氮循环有了更深的理解，该技术可实现高氨氮废水的低C/N脱氮，碳源和动力消耗低，二次污染少。但厌氧氨氧化菌生长缓慢、反应周期长等问题制约着其发展与运用[15]。
4 硝化细菌是脱氨氮的主力军
硝化细菌是整个氨氮去除过程中不可或缺的角色，其作为单细胞微生物，对环境状况的变化比动、植物敏感[16]，能及时地降解氨氮，减轻水体富营养化状况。包括氨氧化细（亚硝酸菌，AOB）和亚硝酸氧化菌（硝酸菌，NOB）两大类。AOB由亚硝化单胞菌属、亚硝化螺菌属、亚硝化球菌属和亚硝化叶状菌属组成，NOB包括硝化杆菌属、硝化螺菌属和硝化球菌3个属[17]。这些细菌中有自养的也有异养的，虽然自养菌在含氮营养物降解过程中占据主要地位[18]，但过多有机物会使繁殖速度较快的异养菌成为优势种属，它们生长快，对溶解氧需要少，易于培养且有的同时具备硝化和反硝化能力，因而在污水生物脱氮中有很高的应用价值[19]。目前已经被正式报道的硝化细菌[18]有以下2类：①自养硝化细菌，包括亚硝化单胞菌、红假单胞菌；②异养硝化细菌，包括硝化杆菌、硝化球菌、硝化刺菌、粪产碱菌、假单胞菌、芽孢杆菌、假诺卡氏菌、生丝微菌属、节杆菌、比基尼链霉菌、短芽孢杆菌属。
近年来又有研究发现厌氧氨氧化现象，并已在海洋陆架区、近岸河口和港湾沉积物中检测到这类细菌的普遍存在[20]，为利用厌氧氨氧化途径奠定了基础。
5 结语
氨氮是水环境中无机氮的主要存在形态，是导致水体富营养化和水质恶化，威胁水生生物生存和人类健康而一般物理、化学方法难以去除的重要污染物。由硝化细菌主导的硝化作用在传统和新兴生物脱氮技术中都是不可取代的步骤。但目前基于传统硝化反硝化的生物脱氮技术能源消耗大，运行成本高，而新兴的生物脱氮技术也存在诸多需要改进的弊端。因此，如何发挥硝化细菌的作用，开发一种高效、节能的氨氮降解方法成为今后拯救富营养化水体的奋斗目标。
6 参考文献
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