溶解氧和反硝化菌

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
 

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。


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。


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。


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：


 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。