李石寶　邢玉澤

摘要：反硝化過(guò)程是治理拉薩河河流沉積物，改善流域生態(tài)環(huán)境的有效途徑。本文對(duì)此展開探究，概述了反硝化機(jī)理與影響因素，分析了反硝化四個(gè)還原過(guò)程的特征，提出了同位素配對(duì)法對(duì)N2產(chǎn)物的精準(zhǔn)測(cè)定。

關(guān)鍵詞：沉積物；反硝化；氮?dú)?；一氧化氮；同位素配?duì)

中圖分類號(hào)：X13 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：2095-672X（2018）01-0209-02

DOI：10.16647/j.cnki.cn15-1369/X.2018.01.121

Environmental protection measures for river sediment denitrification treatment

Li Shibao1， Xing Yuze 2

（1. School of Science， Tibet University， Lhasa Tibet 850000，China；

2. College of Chemistry and Chemical Engineering， Taiyuan University of Technology， Taiyuan Shanxi 030024， China）

Abstract： The denitrification process is an effective way to control the sediment of the Lhasa River and improve the ecological environment in the basin. This paper explores the mechanism of denitrification and its influencing factors， analyzes the characteristics of four reduction processes of denitrification， and proposes the accurate determination of N2 products by isotope pairing method.

Key words： Sediment； Denitrification； Nitrogen； Nitric oxide； Isotope pairing

1 反硝化概述

1.1 機(jī)理

反硝化菌在無(wú)氧環(huán)境下，通過(guò)將硝酸鹽作為電子受體完成呼吸作用，從而獲得相應(yīng)的能量。這一過(guò)程是硝酸鹽呼吸的途徑之一。少數(shù)反硝化細(xì)菌為自養(yǎng)菌，如脫氮硫桿菌，它們氧化硫或氫獲得能量，同化二氧化碳，以硝酸鹽為呼吸作用的最終電子受體。

總反硝化過(guò)程方程式如下：

2NO3- + 10e -+ 12H+ → N2 + 6H2O，ΔG=-333kJ/mol

其中包括了四個(gè)還原反應(yīng)：

A.硝酸鹽還原為亞硝酸鹽：2NO3-+ 4H+ + 4e- → 2NO2-+ 2H2O

B.亞硝酸鹽還原為一氧化氮：2NO2-+ 4H+ + 2e- → 2NO + 2H2O

C.一氧化氮還原為一氧化二氮：2NO + 2H+ + 2e- → N2O + H2O

D.一氧化二氮還原為氮?dú)猓篘2O + 2H+ + 2e- → N2 + H2O

反硝化作用使硝酸鹽還原為氮?dú)?，降低土壤氮素營(yíng)養(yǎng)含量，對(duì)于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)不利。反硝化主要應(yīng)用于河流沉積物的處理，用于改善河流氮污染，控制溫室氣體釋放，預(yù)測(cè)環(huán)境變化。

1.2 影響因素

（1）通氣與水分：反硝化作用通常是在缺氧與厭氧環(huán)境下進(jìn)行的，所以受土壤水分與空氣流通因素影響較大。旱地土壤中存在的局部與暫時(shí)性的環(huán)境為反硝化作用提供了條件，施加有機(jī)肥能夠增加好氧微生物呼吸作用，可以促進(jìn)反硝化作用[1-2]。

（2）溫度：反硝化作用的溫度限制范圍比較寬，在-4-65℃之間反硝化作用都可以進(jìn)行，要發(fā)生顯著的反硝化作用，溫度必須控制在5℃以上。反硝化最佳溫度環(huán)境為30-60℃。

（3）碳源：反硝化細(xì)菌絕大多數(shù)都是異氧細(xì)菌，碳源種類對(duì)硝酸還原酶活性沒(méi)有顯著的影響，對(duì)氧化亞氮還原酶活性有影響。如果C/N比值過(guò)高，碳源就相對(duì)過(guò)剩，就要消耗部分NO3-作為氮源，作為電子受體的硝酸根離子相對(duì)較少，所以還原產(chǎn)生的氧化二氮含量就會(huì)減少；相反的，如果C/N比值降低，則碳源相對(duì)匱乏，硝酸根離子濃度較高，可以促進(jìn)反硝化作用，產(chǎn)生反硝化作用的中間產(chǎn)物有所增多。

（4）酸堿度：酸堿度是反硝化過(guò)程的重要影響因素，反硝化細(xì)菌最適宜在pH6.5-7.5范圍內(nèi)發(fā)生作用，此時(shí)的反硝化速率最快，當(dāng)酸堿度不在這一范圍內(nèi)時(shí)，反硝化速率明顯下降。河流等水生生態(tài)系統(tǒng)中，反硝化過(guò)程的控制因素非常重要，因?yàn)檫@些影響因素決定了河流氮污染的治理效率、對(duì)溫室氣體的控制效率，以及對(duì)環(huán)境預(yù)測(cè)的效率。

2 反硝化酶促反應(yīng)

2.1 硝酸鹽還原

硝酸鹽還原酶能夠促進(jìn)硝酸鹽的還原反應(yīng)，還原生成亞硝酸鹽。化學(xué)方程式為：

用于硝酸鹽還原的還原酶主要有兩類，一類是鑲嵌于細(xì)胞膜內(nèi)表面的硝酸鹽還原酶，另一類是分布在細(xì)胞膜外的硝酸鹽還原酶。前者主要包括3個(gè)復(fù)合體，由亞基組成；后者復(fù)合體由2個(gè)亞基組成。這兩類硝酸鹽還原酶都有鉬碟呤鳥嘌呤二核苷酸，以及鐵硫蛋白等結(jié)構(gòu)。

2.2 亞硝酸鹽還原

在亞硝酸鹽還原酶的作用下，亞硝酸鹽被還原成一氧化氮，這是反硝化關(guān)鍵的一步。同時(shí)一氧化氮也是反硝化過(guò)程的第一個(gè)氣態(tài)中間產(chǎn)物，具有較強(qiáng)的反應(yīng)性，是毒害氣體。

亞硝酸還原酶主要以胞內(nèi)酶為主，細(xì)胞內(nèi)部具有降解亞硝酸鹽的功能，是一種氧化還原酶。亞硝酸鹽還原過(guò)程中，催化作用必須同時(shí)依靠電子供體與傳遞體的參與，在無(wú)氧環(huán)境下進(jìn)行。

亞硝酸還原酶同樣分布在細(xì)胞膜的外質(zhì)中，按照催化中心可以分為Cu型與Cyt型亞硝酸鹽還原酶。通常這兩類還原酶不會(huì)同時(shí)存在于一種細(xì)菌中。目前運(yùn)用較多的是第二種Cyt型亞硝酸鹽還原酶，該類還原酶屬于二聚體[3]。

2.3 一氧化氮還原

一氧化氮還原反應(yīng)同樣在一氧化氮還原酶的催化作用下進(jìn)行，這一過(guò)程一氧化氮將被還原為一氧化二氮。

一氧化氮還原酶是反硝化過(guò)程中最后一個(gè)被分離的酶，分布于細(xì)胞膜表面。一氧化氮還原酶包括2個(gè)亞單位，分子量分別為53kDa、16.5kDa。較大的亞單位具有疏水性，其內(nèi)部包含組氨酸，能夠與血紅素結(jié)合；較小的亞單位能夠與紅血素結(jié)合，主要存在于細(xì)胞外部周質(zhì)，能夠接收外部電子。一氧化氮對(duì)環(huán)境有危害，對(duì)水體、土壤和大氣可造成污染。聚合危害表現(xiàn)在與氧氣聚合形成腐蝕性二氧化氮；分解產(chǎn)物為氮?dú)?，氧氣，還有少量一氧化二氮。工業(yè)上一氧化氮去除方法主要是采用氫氧化鈉反應(yīng)，方程式為NO + NO2 + 2NaOH = 2NaNO2 + H2O。

2.4 一氧化二氮還原

一氧化二氮還原反應(yīng)是整個(gè)反硝化過(guò)程的最后步驟，在一氧化二氮還原酶的作用下將一氧化二氮還原為氮?dú)狻?/p>

一氧化二氮還原酶最早于20世紀(jì)八十年代末被發(fā)現(xiàn)，分布于膜外周質(zhì)，屬于二聚體，分子量為67kDa。主要包含兩個(gè)銅活性中心，但是催化中心結(jié)構(gòu)目前還不清楚。國(guó)外科學(xué)家在施氏假單胞菌的研究中確定了一氧化二氮還原酶，在有一氧化二氮存在的情況下，X射線晶體結(jié)構(gòu)中無(wú)氧的條件下為紫色活躍的還原酶。這一研究結(jié)果說(shuō)明，基質(zhì)結(jié)合點(diǎn)上的Cu硫團(tuán)性質(zhì)，同時(shí)也表明一氧化二氮與復(fù)雜金屬中心的相互作用。

3 反硝化測(cè)定技術(shù)

同位素配對(duì)法是測(cè)定氮?dú)庾顬闇?zhǔn)確的方法之一，測(cè)定過(guò)程的靈敏度非常高，是目前應(yīng)用比較廣泛的反硝化測(cè)定技術(shù)。在拉薩河流水生生態(tài)系統(tǒng)中，采用15N同位素配對(duì)法，是將15N元素所在硝酸根加入沉積物覆水中，讓15NO3-與14NO3-混合之后，經(jīng)過(guò)沉積物的反硝化作用，產(chǎn)生28N、29N、30N，進(jìn)而對(duì)這些產(chǎn)物進(jìn)行測(cè)定。反硝化過(guò)程消耗的硝酸鹽主要來(lái)自于沉積物的耦合消化與非耦合消化作用，對(duì)這兩類應(yīng)當(dāng)加以區(qū)別[3]。同時(shí)，拉薩河河流反硝化脫氮產(chǎn)生的氮?dú)庖灿锌赡苁窃趨捬醢毖趸淖饔孟庐a(chǎn)生的。通過(guò)同位素配對(duì)，能夠準(zhǔn)確識(shí)別兩種情況下的脫氮效率。一般反硝化作用的脫氮率能夠達(dá)到90%以上，而厭氧氨氧化作用脫氮效率要小很多。不過(guò)對(duì)于拉薩河河流反硝化的處理，其水生環(huán)境中的植物、底泥物質(zhì)都會(huì)對(duì)同位素配對(duì)造成干擾，包括生物膜、附著生物、腐殖質(zhì)等，都會(huì)成為反硝化集中區(qū)域。所以對(duì)于水生生態(tài)環(huán)境較為復(fù)雜的水域，采用同位素配對(duì)技術(shù)可能對(duì)結(jié)果有所高估。

4 結(jié)語(yǔ)

反硝化處理技術(shù)是改善拉薩河河流生態(tài)環(huán)境的重要技術(shù)手段，反硝化過(guò)程主要包括四個(gè)階段：硝酸鹽還原為亞硝酸鹽、亞硝酸鹽還原為一氧化氮、一氧化氮還原為一氧化二氮、一氧化二氮還原為氮?dú)?。反硝化過(guò)程是去除拉薩河河流氮素、解決拉薩河河流氮污染的最佳途徑，同時(shí)能夠調(diào)節(jié)區(qū)域氮循環(huán)，乃至調(diào)節(jié)全球范圍的氮循環(huán)，改善整體環(huán)境[4]。

參考文獻(xiàn)

[1]張波，杜應(yīng)旸，陳宇煒等.太湖流域典型河流沉積物的反硝化作用[J].環(huán)境科學(xué)學(xué)報(bào)，2012，32（8）：1866-1873.

[2]王琳，李季，康文力等.河流沉積物中反硝化細(xì)菌的分離及脫氮除磷研究[J].環(huán)境科學(xué)，2009，30（1）：91-95.

[3]鞠菲.錦凌水庫(kù)施工建設(shè)過(guò)程中的生態(tài)環(huán)境保護(hù)措施[J].環(huán)境保護(hù)與循環(huán)經(jīng)濟(jì)，2013，33（07）：59-61.

[4]劉玉鳳.青山水庫(kù)生態(tài)環(huán)境現(xiàn)狀及保護(hù)措施[J].環(huán)境保護(hù)與循環(huán)經(jīng)濟(jì)，2012，32（07）：73-75.

收稿日期：2017-12-05

項(xiàng)目基金 ：西藏大學(xué)人才隊(duì)伍建設(shè)項(xiàng)目《拉薩河沉積物反硝化研究》，項(xiàng)目編號(hào)：010341

作者簡(jiǎn)介：李石寶（1990-），男，博士生，西藏大學(xué)理學(xué)院講師，西藏地理科研團(tuán)隊(duì)、藏式建筑與人居環(huán)境研究創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)成員，研究方向?yàn)榈乩砜茖W(xué)與生態(tài)學(xué)。