硝化-反硝化细菌在循环水高密度养殖中脱氮应用进展

李波，姜艳霞，王红兵，管桂萍

（1．湖南农业大学生命科学技术学院，农业生物工程研究所，湖南 长沙 410128；2．湖南省畜牧兽医研究所，湖南 长沙 410131）

循环水高密度养殖模式，集合了水处理技术、高密度水产养殖、集约化管理等先进理念于一体，是一种环境友好可持续化发展的养殖模式[1]。该模式实现高密度养殖和养殖水体的可循环利用以及粪便残渣的可回收利用，仅需少量的土地和水体资源，即可产出同样的产量，高效安全，降低了劳动成本，提高了养殖效率，减少了环境污染风险[2]。

随着养殖密度的增加，水体中大量粪便以及剩饵的沉积，引起氨氮、亚硝态氮等有害物质的积累[3]，导致养殖水体恶化，严重影响了养殖产品的产量以及质量[4]。因此除去含氮化合物，成为改善水质并提高产量的关键。相比于物理、化学脱氮，生物脱氮具有成本低、无毒害且高效等特点[5]。大多数水产养殖工厂设立生化处理池，通过池内一些自养、异养细菌进行硝化-反硝化作用，以达到改善养殖水质的目的。现简述硝化-反硝化细菌在循环水高密度养殖中脱氮应用进展，以期为硝化-反硝化细菌在实际工程的应用提供参考。

1 硝化-反硝化细菌的脱氮机理

硝化-反硝化细菌种类繁多，脱氮机理也复杂多样[6]。根据其营养方式，可将不同硝化细菌分为自养硝化[7]和异养硝化[8]2 类，其中自养硝化细菌在生物脱氮中是主要菌群，而异养硝化细菌仅占很少一部分[9]。硝化作用可以分为2 个阶段，首先由氨氧化细菌将铵态氮（NH4+-N）氧化为亚硝酸盐氮（NO2--N），随后硝化细菌将NO2--N 氧化为硝酸盐氮（NO3--N）。而反硝化细菌可分为厌氧型以及好氧型，厌氧型反硝化细菌，需要在严格缺氧的条件下，将硝化作用的产物转化为氮气排入大气中；而好氧型反硝化细菌，可直接与硝化细菌在同一反应器中进行硝化作用，完成生物脱氮作用[10]。特殊的是多数异养硝化细菌还能同时进行好氧反硝化作用，将硝化产物转化为含氮气体排入大气中，目前，这类菌已成为生物脱氮工艺的重要研究对象。

1.1 自养硝化-厌氧反硝化

自养硝化-厌氧反硝化，是通过自养硝化细菌与厌氧反硝化细菌组合，从而实现2 级脱氮反应。自养型硝化细菌是一类可以二氧化碳（CO2）为唯一碳源，通过硝化过程获取能量的化能自养细菌，其作为脱氮细菌的优势菌群，在脱氮工艺中共同进行硝化作用，如氨氧化细菌、亚硝酸氧化细菌等，并能利用环境优势进行生长。Jin 等[11]进行垂直绿化在黑水的应用效果的研究中，发现自养硝化细菌在脱氮中占据主要地位，而且脱氮效果明显。随着对硝化细菌的深入研究，人们也利用自养硝化细菌进行工农业废水的处理。Larissa 等[12]在进行石油废水中盐度逐渐增加的研究时，发现参与铵去除过程中的细菌，绝大多数为自养型细菌。文献[13]用自养硝化细菌与膜生物反应器联合处理污水，结果显示，总氮、总磷以及化学需氧量（COD）有显著的下降，说明自养型细菌在处理污水方面是高效的。

1.2 异养硝化-好氧反硝化

文献[14]发现存在异养硝化菌与好氧反硝化菌的偶联过程，此类菌被称为异养硝化-好氧反硝化菌。由于其特殊性，近年来已从湿地、淤泥、海水等地，获得各种不同的异养硝化-好氧反硝化细菌，常见的包括不动杆菌（Acinetobacter）[15]、假单胞菌（Pseudomonas）[16]、克雷伯氏菌（Klebsiella pneumoniae）[17]、红球菌（Rhodococcus）[18]。相比于传统的生物脱氮工艺，其具有同步硝化-反硝化反应的能力[19]，可同时实现废水中有机物和氮的除去，无须另建厌氧反应器，运行和维护费用较低。此外，好氧反硝化菌生长快、活性高，拥有高效的脱氮效率。Zhang等[20]研究了假单胞菌Y-5 在高氮环境中同步硝化、反硝化作用，结果表明，以NH4+-N 为唯一氮源时，Y-5 在24 h 内能去除103 mg/L 的NH4+-N，且无亚硝态氮、硝态氮积累，相比于自养型硝化细菌，其脱氮效率更快且更高。

2 硝化-反硝化细菌在处理含氮水体中的脱氮应用

在工农业中，化肥、合成洗涤剂的广泛使用与不合理的排放，导致水体中的氮、磷含量升高，富营养化日益严重。通过生物脱氮来处理水体中的氮、磷越来越普及，如在制药工厂中处理制药废水。张岩[21]在处理制药废水中，投入有机物降解菌和硝化细菌，结果显示，出水的COD 和氨氮去除效果较好,系统内的用氧吸收速率（OUR）和硝化细菌活性也得到了提高。另外，大量生活污水的排放严重影响生态环境，而生物脱氮作为一类低成本、高效的脱氮工艺，广泛应用于生活污水处理。Chen 等[22]提出了一种利用厌氧罐和创新的双溶解氧控制技术的新型氧化沟系统，用于生活污水的生物除氮、除磷，其利用硝化、反硝化细菌的需氧特性，稳定控制双溶解氧，有效提高了总氮、总磷的除去率。除此之外，文献[23]将硝化-反硝化细菌附着在由移动床和流化床组合的载体生物膜反应器上，处理生活污水，结果表明，组合载体生物膜反应器比单个生物膜反应器除氮效果更高。

3 硝化-反硝化细菌在循环水高密度养殖中的脱氮应用

在高密度循环水养殖中，对水质的要求极为严格，因此改善水质是养殖成功的关键。当今工厂化高密度养殖已经成为趋势，其中常用水处理技术包括空气吹脱、离子交换吸附、臭氧氧化处理、电渗析处理以及生物脱氮，而硝化-反硝化细菌作为一类生物脱氮菌被广泛应用在工厂处理养殖水中，不仅成本低、脱氮效率高，而且无毒害残留，能大大提高养殖综合效益。

3.1 自养硝化-厌氧反硝化细菌在循环水高密度养殖中的应用

自养硝化-厌氧反硝化细菌，通常应用于A/O工艺中用于生产尾水处理，在循环水高密度水产养殖中被用于生物滤池或挂膜处理中，以此改善养殖水质。刘佳[24]研究聚氨酯自养硝化生物膜在对虾养殖水体净化效果中发现，完成自养硝化生物膜挂膜后，试验组NH4+-N 和NO2--N 浓度始终处于低水平波动状态，且均在对虾养殖安全范围内，而对照组NH4+-N 和NO2--N 浓度均呈上升趋势，其值并始终高于试验组，表明自养硝化生物膜具有良好的改善水质的能力。罗国芝等[25]介绍了几种常用的固定膜式生物过滤器，为循环水养殖系统中核心的水处理单元，是通过固定膜式生物过滤器为自养硝化细菌提供附着基面。除此之外，由于自养硝化细菌具有不需外加碳源、能够定殖、不需定时投放菌液等优点，受到大多养殖户青睐。

3.2 异养硝化-好氧反硝化细菌在循环水高密度养殖中的应用

异养硝化细菌生长速度快，环境适应能力强，在生物脱氮法处理污水时更有优势[26]，发展前景良好，但需要大量的研究，去解决硝化细菌在实际应用中存在的问题。如将游离菌投放到养殖池后，由于环境条件发生改变，菌的生存、生长及其稳定性常常难以控制，从而导致对水体的净化效果不稳定；一些应用前景良好的好氧硝化菌，在相对厌氧的底质中较难定植等。而王淼等[27]研究了嗜吡啶红球菌、粪产碱杆菌以及巨大芽孢杆菌三株异养硝化细菌，对尼罗罗非鱼养殖池塘水体的净化效果，结果表明，加菌组的总氮等指标的积累量始终低于对照组，其中巨大芽孢杆菌净化效果最为理想，嗜吡啶红球菌、粪产碱杆菌相比于对照组也有明显的净化效果，表明在养殖池塘中添加异养硝化细菌，可有效维护养殖水质。另外，在生物滤池中水力停留时间也是水体脱氮的关键因素，刘畅文等[28]设计一种生物絮凝反应器，作为中式规模循环水养殖系统的水处理装置，并研究在不同水力停留时间的运行效果，试验证明，当水力停留时间（HRT）为12 h 时，反应器内污染物去除率最高，除氮效果明显，并且反应器在不同HRT 条件下均以异养细菌为主，主要通过同化作用去除氮，好氧反硝化细菌和厌氧反硝化细菌同时是反应器的优势菌属。康传磊[29]开展不换水连续养殖圆斑星鲽试验，分别加入花津滩芽孢杆菌SLWX2、嗜碱盐单胞菌X3 和麦氏交替单胞菌SLNX2 的不同组合，结果显示，当SLWX2+X3+SLNX2 组合联合使用时水体净化效果最佳，而不加菌的出现大量死鱼现象，说明异养硝化-好氧反硝化菌能有效维护水质。吴伟等[30]将脱氮副球菌投入淡水养殖池塘，经过38 d 的试验，池塘中的无机氮有明显的减少，其对养殖水体中的无机氮素以及有机污染物有较好的控制效果。

罗国芝等[31]从活性污泥中分离出一种具有异养硝化-好氧反硝化作用的菌株——醋酸钙不动杆菌，并研究其对水产养殖用水的处理效果，将筛选所得醋酸不动杆菌接种至具有较高浓度硝态氮的养殖水体中，结果表明，水体中的氨氮、硝态氮、总氮除去率分别为（43.31±0.78）%，（91.70±3.61）%和（83.56±6.15）%，具有良好水产养殖用水净化效果。异养硝化-好氧反硝化菌因为高效、生长快速以及能同步硝化、反硝化[32]，在循环水养殖中的应用受到了越来越多的关注。

4 结语

当前，我国水产养殖行业正处于高速发展阶段，含氮化合物排放量日益增加、水质日益复杂的背景下，生物脱氮处理新技术的研发，始终是科研人员的关注热点。异养硝化-好氧反硝化细菌在近年被通过间歇曝气法、使用选择培养基以及使用酸碱指示剂等方法大量发掘，现如今已被大量筛选出来后形成丰富菌种库，并且被应用于水产养殖、生物废水处理以及降解有机污染物等方面。在循环水高密度养殖中，异养硝化-好氧反硝化菌能将自养硝化-厌氧反硝化过程优势结合在一起，解决了硝化与反硝化反应器分别独立设置的问题，减少了反应器的规模和能源成本，其相比于自养细菌更能解决水体中与有机物不能兼容的问题。另外，大量的试验证明，异养硝化-好氧反硝化菌在处理高密度养殖水体中具有高效的净化水质能力，是一种在循环水高密度养殖中具有巨大潜力的生物修复细菌。