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废水处理中异化硝酸盐还原为铵的研究进展 万雨轩 王鑫摘 要：废水处理过程中涉及多种氮转化途径，其中，异化硝酸盐还原为铵（Dissimilatory Nitrate Reduction to Ammonium，DNRA）能够将NO-3/NO-2转化为NH+4，是氮素转化的重要一环概述了DNRA过程的两步反应机理以及涉及的微生物，着重讨论了废水处理中影响DNRA过程的潜在因素，包括溶解氧、碳源种类、氮源种类、碳氮比、温度、pH值以及废水成分等，总结分析了各种因素如何调控DNRA与反硝化过程对硝态氮的竞争，并对废水处理中DNRA过程的两种主要分析手段进行了介绍综述了DNRA过程在废水处理中的发生机制及其贡献，对未来DNRA过程的深入研究及废水中氮的去除或回收具有重要意义关键词：异化硝酸盐还原;废水处理;氮回收;同位素示踪：X703.1 文献标志码：A ：2096-6717（2021）06-0134-11Abstract： There are many ways of nitrogen transformation in wastewater treatment， among which dissimilatory nitrate reduction to ammonium （DNRA） convert NO-3/NO-2 into NH+4， which is an important part of nitrogen transformation.This paper reviews the two-step reaction mechanism of DNRA process and microorganisms involved. In addition， the potential factors affecting the DNRA process in wastewater treatment， such as dissolved oxygen， types of carbon or nitrogen sources， C/N ratio， temperature， pH and special substances contained in wastewater，are emphatically discussed to explore how to regulate the competition between DNRA and denitrification fornitrate， and this paper introduces two main analytical methods for DNRA process in wastewater treatment.This paper confirms the occurrence and contribution of DNRA process in wastewater treatment， and the in-depth study of DNRA is of great significance for the removal or recovery of nitrogen in wastewater.Keywords： dissimilatory nitrate reduction; wastewater treatment; nitrogen recovery; isotope tracing氮在自然界中至關重要，是生物合成关键细胞成分所必需的重要营养元素，其可用性取决于微生物间进行的各种氮转化反应。

近年来，人们对微生物的氮转化过程进行了深入研究，将其归纳为7个过程，如图1所示其中，异化硝酸盐还原为铵（Dissimilatory Nitrate Reduction to Ammonium， DNRA）的过程是由微生物介导，将NO-3和NO-2直接还原为NH+4的酶促氧化还原反应早在1938年，DNRA过程就被证明可以发生在常见的土壤细菌中，如Clostridium welchii[1]1975年，Stanford等通过15N同位素示踪技术进一步证实了DNRA过程的存在[2]然而，由于技术上的限制，之后的大多数研究仍然认为反硝化过程是进行硝酸盐还原的主要途径，而DNRA过程对硝酸盐还原的影响较小直到1988年，Tiedje等提出由于NH+4的流动性比NO-3小，NH+4更容易被保留在环境中[3]反硝化过程生成N2和N2O造成氮损失，增加温室气体排放，而通过DNRA过程生成NH+4能够为生态系统保留活性氮[3]，因此，DNRA在不同生态系统中的重要性逐渐被意识到DNRA过程已经被证明能够在各种海洋、河口和土壤生态系统中发生[4-7]而作为全球最大的人工生态系统，污水处理厂（WWTP）涉及硝化、反硝化、厌氧氨氧化和DNRA等过程，在全球氮循环中发挥着重要作用[8]。

目前，大多数污水处理厂主要应用反硝化过程将N以N2的形式去除，同时产生N2O温室气体[9]虽然厌氧氨氧化细菌在污水处理厂中也广泛存在，但认为它们对氮转化的贡献率不大[10]废水处理中的反硝化和厌氧氨氧化过程已经得到了广泛研究，如影响因素、相关微生物和脱氮效率等[11-13]与之相反，针对废水处理中DNRA过程的研究相对较少在DNRA过程中，N的最终产物为NH+4，能够保留活性N促进污水处理厂副产品的产生，增加收益同时，DNRA过程只产生氨氮，减少了温室气体N2O的排放因此，废水处理中DNRA过程的发生对废水中氮的转化，甚至全球氮循环平衡都起着至关重要的作用为了更深层次地理解DNRA过程以及其在氮循环中的重要作用，笔者总结了DNRA过程反应机理，功能微生物及其生理、遗传调控对废水处理中可能影响DNRA过程的因素进行了详细探讨，并介绍了用于评估DNRA过程的两种方法1 DNRA的反应过程1.1 DNRA反应机理DNRA过程分为两步（图2），第1步是硝酸盐还原为亚硝酸盐，主要是由膜结合硝酸盐还原酶（Nar）或周质硝酸盐还原酶（Nap）催化，其中，还原硝酸盐的亚基NarG和NapA以醌为电子供体产生亚硝酸盐[14]。

第2步是亚硝酸盐转化为铵，由周质五血红素细胞色素c亚硝酸盐还原酶（NrfA）催化，而不形成中间产物NrfA是可溶的周质蛋白，分别通过细胞色素NrfHA复合物或者NrfBCD复合物从醌获得电子（图2）此外，研究发现，NrfA蛋白质的几种结构可将NO-2还原为NO，NO再被还原为NH+4和N2O（图1虚线），这被认为是硝酸盐氨化的额外途径[15]与反硝化过程中的硝酸盐呼吸过程不同，DNRA过程根据细菌种类、生长底物和能量获取方式的不同可分为两种：呼吸型和发酵型[16]两种DNRA方式中，NO-3到NO-2的还原过程始终是呼吸型的，其分类取决于NO-2到NH+4的还原类型大多数DNRA过程是发酵型，细菌以有机物作为电子供体，通过底物水平磷酸化立即产生能量以葡萄糖为例，糖酵解过程中产生的NADH在硝态氮还原过程中被氧化，生成发酵产物甲酸和乙酸，同时产生NH+4（式1）[17]呼吸型DNRA一般指自养型DNRA，通常指以S2-作为电子供体，还原硝态氮为氨氮，S2-最终产物是单质S或者SO-4（式（2）、式（3））[18]1.2 DNRA过程相关微生物随着DNRA过程研究的日益深入，越来越多的菌株被证明具有将NO-3/ NO-2还原成NH+4的能力。

根据电子供体的不同，DNRA菌可分为自养菌和异养菌两类大部分DNRA菌是异养型，需要有机碳源作为电子供体;少数DNRA菌是自养型，例如化能自养微生物Thiobacillus denitrificans、Desulfovibrio desulfuricans和D. propionicus等根据呼吸类型也可将DNRA细菌分为好氧菌、微好氧菌、兼性厌氧菌以及严格厌氧菌相对于O2为电子受体（好氧呼吸）而言，微生物以NO-3作为电子受体进行缺氧呼吸的产能效率非常低，因此，DNRA细菌多为兼性厌氧菌和严格厌氧菌多种参与氮转化的细菌在污水处理系统中共存，其中，DNRA细菌群落广泛存在最近，Wang等[19]对中国不同地区的污水处理厂的8个处理单元的微生物群落进行分析发现，DNRA细菌群落中Nitrospira丰度最高，其次是Brocadia，Anaeromyxobacter和Geothrix城市污水处理厂A2/O工艺系统的厌氧池中存在较高的有机物浓度和一定量的硝酸盐，具备了适合DNRA细菌生存的条件刘芹等[20]在A2/O工艺处理系统中鉴定出进行DNRA的菌属主要为Thauera、Hydrogenophaga和Geobacter。

但目前针对污水处理厂中DNRA相关微生物的种类、丰度以及与其他微生物群落的种间机制的深入研究还相对较少1.3 废水处理中的DNRA过程通过对传统市政污水处理厂的DNRA过程进行评估，发现DNRA过程在6个不同规模污水处理厂的全部处理单元中广泛存在，但对N转化的贡献并不显著[19]各国已经开始实施污水处理厂升级，使用额外的氧化、吸附和过滤技术可能会导致DNRA细菌数量的增多北京污水处理厂升级改造后，DNRA细菌与反硝化细菌之间的比率从1.10显著增加至1.93，DNRA过程贡献率增大[21]此外，季节变化及地理位置差异也会影响DNRA过程在废水处理中的贡献在季风气候期，印度炼油厂废水经过处理后，氨氮含量与冬季相比增加了9倍，DNRA细菌的丰度增加了3倍，DNRA对硝酸盐转化的贡献率超过反硝化过程[22]废水处理厂采用厌氧氨氧化细菌脱氮时，DNRA过程是维持厌氧氨氧化过程稳定进行的关键步骤[11]例如，采用同步硝化、厌氧氨氧化和反硝化工艺（SNAD）处理垃圾渗滤液时，DNRA细菌催化还原硝酸盐，与氨氧化细菌和厌氧氨氧化细菌协同作用实现氮的去除[23]使用气升式反应器去除低碳氮比废水中的氮，也是基于厌氧氨氧化、同步硝化反硝化和DNRA的共同作用[24]。

因此，即使DNRA过程在废水处理中的贡献率不高，但其作用不容忽视2 废水处理中DNRA过程的潜在影響因素废水处理过程中涉及多个氮素转化反应，其中DNRA与反硝化过程是还原硝态氮的两个竞争途径两者都是以有机物或无机物为碳源，在低氧条件下发生，大部分情况下存在此消彼长的关系因此，针对DNRA过程潜在影响因素的讨论，主要从影响DNRA和反硝化过程之间竞争的因素进行分析2.1 溶解氧溶解在水中的分子态氧称为溶解氧，水中溶解氧的含量与空气中氧的分压、水的温度都有密切关系污水处理厂通过改变水中溶解氧浓度实现不同的好氧和厌氧生物工艺，进而转化或去除废水中的氮已有研究表明[25-26]，溶解氧的变化会影响生物膜反应器、生物接触氧化池和生物流化床等的脱氮效果理论上，在厌氧条件下，每摩尔NO-3在DNRA过程中传递的电子（8e-）比反硝化过程（5e-）多，而厌氧条件下终端电子受体短缺，细菌更倾向于使用DNRA而非反硝化作为获取能量的途径[27-32]因此，DNRA过程倾向于在强还原条件下发生已有研究表明[33-34]，在强还原条件下，DNRA过程的活性较高在周期性缺氧的河口，DNRA过程起主导作用，缺氧持续一段时间后，反硝化过程几乎完全消失[35]。

但对6个市政污水处理厂所有处理单元的微生物群落进行调查显示，DNRA细菌在好氧区域仍然存在[19]在实验室中对氧气如何调控DNRA和反硝化过程之间的竞争进行探究，发现反硝化过程在低于1 μmol/L O2的条件下优于DNRA，而在更高的O2水平下，DNRA过程占据优势[36]推测出现这一现象的原因是DNRA对氧化还原条件变化的敏感性低于反硝化过程，对O2的敏感性较低[37]在氧气控制实验中，污水处理厂溶解氧含。