陳偉紅，祁寶川，王凱麗，張萌，錢大益

（伊犁師范大學(xué)化學(xué)與環(huán)境科學(xué)學(xué)院污染物化學(xué)與環(huán)境治理重點實驗室，新疆伊寧 835000）

0 引言

氮肥的過度使用和污水的不達標排放使得硝酸鹽污染成為全球性的環(huán)境問題[1]。硝酸鹽作為水體中的常見污染物之一，由于其具有高度可溶性和可移動性，易通過降水等途徑遷移到水體中，危及人類健康和水環(huán)境安全[2]。隨著人們對水質(zhì)的更加重視，對硝酸鹽的治理要求也越來越高。因此，研究經(jīng)濟高效的脫氮技術(shù)具有重要意義。目前，生物脫氮被公認為是最有效的脫氮技術(shù)[3]。

傳統(tǒng)的生物脫氮技術(shù)通過好氧和厭氧兩個單元分步運行，脫氮過程復(fù)雜，去除氮不徹底，且會增加處理成本和管理難度[3-4]。好氧反硝化細菌的發(fā)現(xiàn)打破了實現(xiàn)同步硝化反硝化的屏障。1984 年，ROBERTSON[5]等發(fā)現(xiàn)了第一株好氧反硝化細菌(Paracoccussp.)，之后，科研人員陸續(xù)分離到多株好氧反硝化細菌；該類菌在有氧環(huán)境中可將氮污染物轉(zhuǎn)化為無害的氣態(tài)氮，其生命周期短、效率高，具有較好的污水脫氮優(yōu)勢和潛力[6-8]。經(jīng)過幾十年的發(fā)展，研究人員在反硝化細菌領(lǐng)域開展了大量研究，產(chǎn)出了海量文獻，取得了較大成就；但對于該領(lǐng)域的研究仍缺乏全面深入的梳理與總結(jié)，缺少從計量學(xué)角度分析該領(lǐng)域研究概況和預(yù)測發(fā)展趨勢。

文獻計量分析是一種基于數(shù)學(xué)統(tǒng)計的文獻和信息挖掘方法，可以通過文獻的關(guān)鍵詞、聚類關(guān)系來反映研究趨勢和熱點，由于其顯著的客觀性、定量化、模型化的宏觀研究趨勢，已成為各個科學(xué)領(lǐng)域進行全球分析的重要工具[9-11]。但截至目前為止，關(guān)于反硝化細菌領(lǐng)域的文獻計量分析尚不清楚。基于此，本研究以Web of Science 核心數(shù)據(jù)庫為基礎(chǔ)，利用VOSviewer、Citespace等工具，對1990—2022年間發(fā)表的反硝化細菌相關(guān)文獻進行分析，從全球研究趨勢、國內(nèi)外研究熱點等層面進行探討，闡明反硝化細菌的研究概況和發(fā)展趨勢。

1 材料和方法

數(shù)據(jù)來源：Web of Science 核心合集數(shù)據(jù)庫（以下簡稱WOS）。

檢 索 式 ：TS=("denitrifying bacteria" OR "denitrification bacteria" OR " denitrifying bacterium" OR denitrobacteria OR denitrifiers OR de-nitrobacteria)；初步檢索得到6204 篇文獻，經(jīng)Citespace 去重后，得到6130 篇有效文獻；檢索年限為1990 年1 月1 日至2022年8月23日，最后檢索執(zhí)行時間為2022年8月23日。

統(tǒng)計工具：利用WOS 數(shù)據(jù)庫自帶的分析工具、Citespace、VOSviewer軟件以及Origin 9.1等軟件。

2 結(jié)果與分析

2.1 發(fā)文量

學(xué)術(shù)論文數(shù)量的時序變化可直接反映某學(xué)科發(fā)展概況，預(yù)測未來發(fā)展趨勢和動態(tài)[12]。1990—2022 年間有關(guān)反硝化細菌研究文獻年度產(chǎn)出分布如圖1所示。

圖1 反硝化細菌研究年度發(fā)文量趨勢圖

該領(lǐng)域科研產(chǎn)出總體呈對數(shù)增長，發(fā)展過程可分為3 個階段：起因(1990—1995)、探索(1995—2004)、發(fā)展（2004—至今）；2004 年后文獻產(chǎn)出持續(xù)增加，近幾年平均發(fā)文在80篇以上。產(chǎn)出最多的3個國家分別是中國、美國、德國；分析可知，美國和德國科研產(chǎn)出保持平穩(wěn)發(fā)展；而中國的文獻產(chǎn)出在2009 年后迅速增長，成為該領(lǐng)域主要的科研力量。值得注意的是，全球發(fā)文和中國科研產(chǎn)出趨勢保持一致，說明中國學(xué)者在該領(lǐng)域科研活動活躍，具有突出的科研實力，初步具備引領(lǐng)全球科研產(chǎn)出的快速增長。

中國在該領(lǐng)域內(nèi)產(chǎn)出的首篇論文是LIU 等[13]在1996年發(fā)表在Water Science and Technology期刊上的《Removal of nitrogen from coal gasification and coke plant wastewaters in A/O submerged biofilm-activated sludge(SBF-AS)hybrid system》，該研究利用浸沒式生物膜（缺氧區(qū)）-活性污泥（好氧區(qū)）混合系統(tǒng)去除來自煤氣化和焦化廠廢水中的氮；該論文是中國水處理領(lǐng)域的突破性成果，對推進廢水脫氮研究意義重大。

2.2 作者分析

作者共現(xiàn)知識圖譜可以直觀展示該研究領(lǐng)域的作者合作情況；其中高頻作者及作者間的合作團隊是某一研究領(lǐng)域十分重要的科研力量[14]。

根據(jù)普賴斯定律，核心著者至少發(fā)表論文數(shù)為Mp篇，計算公式為：

式中：Npmax為作者發(fā)表的論文數(shù)，核心作者是發(fā)文量在Mp篇以上的作者[15]。本研究中，Npmax=35，Mp≈4篇，故發(fā)文量≥4篇的作者即為該領(lǐng)域的核心作者，共計214 位作者。利用Citespace 繪制作者合作關(guān)系網(wǎng)絡(luò)（圖2）。

圖2 反硝化細菌研究發(fā)文作者合作網(wǎng)絡(luò)

由圖可知，該領(lǐng)域并未形成聯(lián)系廣泛的合作關(guān)系。經(jīng)過數(shù)十年的發(fā)展，形成了以PENG YONGZHEN、SCHLOTER MICHAEL、FUCHS G 等核心作者為中心的9 個主要科研團隊，團隊內(nèi)部合作關(guān)系相對密切，但團隊間分布離散，交流合作較少。另外，一部分作者以獨立研究為主，缺乏合作交流，不利于科學(xué)研究的拓展和深化。

排名前十位核心作者中（如表所示），中國高產(chǎn)作者有五位；發(fā)文量第一的是北京工業(yè)大學(xué)的彭永臻院士，該團隊主要致力于污水處理，在解決污水脫氮除磷難題、新工藝技術(shù)研發(fā)和推廣應(yīng)用等方面取得了多項突破性成果；西安建筑科技大學(xué)的黃廷林教授發(fā)文量第五，該團隊的研究方向主要有水源水質(zhì)污染與富營養(yǎng)化控制、水處理理論與技術(shù)、水環(huán)境修復(fù)理論與技術(shù)，水工藝與工程系統(tǒng)優(yōu)化理論與技術(shù)。排名第八的是山東大學(xué)的張健教授團隊，主要研究方向為生物與生態(tài)環(huán)境凈化技術(shù)。

總體而言，反硝化細菌研究已得到眾多學(xué)者的高度重視，但作者之間的合作關(guān)系仍然較弱，尤其是高產(chǎn)核心作者之間，在今后的研究過程中應(yīng)加強合作交流研究。

2.3 國家/機構(gòu)合作分析

利用Citespace 繪制國家合作網(wǎng)絡(luò)，Top N=50，共100個節(jié)點，483條連線；研讀圖譜可知，圖譜節(jié)點較多但相對分散，節(jié)點間的連線也較少，說明國家間的總體合作關(guān)系較弱。反硝化細菌研究分布在108 個國家，研究產(chǎn)出文獻數(shù)量排名前五的國家有中國(2647)、美國(1043)、德國(607)、日本(362)、法國(241)。

中介中心性可用來衡量節(jié)點的重要性和關(guān)聯(lián)性（中介中心性超過0.1的節(jié)點稱為關(guān)鍵節(jié)點）。美國雖產(chǎn)出較多，但其中介中心性很低(0.04)，說明美國與其他國家的關(guān)聯(lián)度較低，其具備獨立的研究體系。以德國為中心的歐洲國家，包括葡萄牙、荷蘭、瑞典法國、英國、意大利等均具有較高的中介中心性，并且相互之間合作密切，形成了一個區(qū)域研究中心。比利時(Belglum)中介中心性最高，為0.62，在該領(lǐng)域有較深入的研究，論文產(chǎn)出影響力較高。中國的中介中心性為0.12，相對較高，說明中國正在加強與其他國家的合作，完善國際合作關(guān)系，追求科學(xué)研究共同發(fā)展（圖3）。

圖3 反硝化細菌研究發(fā)文國家合作網(wǎng)絡(luò)

2.4 引文分析

核心文獻分析有助于對某領(lǐng)域的發(fā)展歷史、研究核心、經(jīng)典理論進行快速定位，一般以文獻被引用頻次的高低認定核心文獻[16]?？偙灰l次前10 的論文如表1所示。

表1 反硝化細菌高被引文獻

高被引文獻主要關(guān)注生物化學(xué)和分子基礎(chǔ)、氮氧化物、反硝化途徑、好氧反硝化、水體硝酸鹽等方面的問題。德國學(xué)者ZUMFT[17]發(fā)表的Cell biology and molecular basis of denitrification 綜述性論文引用頻次最高，該論文從反硝化遺傳基因、反硝化呼吸作用、厭氧血紅素和血紅素D1的生物合成、一氧化二氮還原系統(tǒng)等方面綜述了反硝化分子生物學(xué)基礎(chǔ)。另外，Science 收錄的Biochemistry of nitric oxide and its redox-activated forms[18]，主要介紹了一氧化氮的生物化學(xué)功能，包括合成酶促機制、減輕其毒性的方法等。此外，其中一篇高被引文獻被頂級期刊Nature收錄[22]，該研究發(fā)現(xiàn)了第4種產(chǎn)生氧氣的生物途徑。在十篇高被引論文中，美國產(chǎn)出3篇，其余7篇均產(chǎn)自歐洲國家，如德國、荷蘭、英國等，和國家分析結(jié)論一致。

2.5 關(guān)鍵詞分析

（1）關(guān)鍵詞共現(xiàn)分析

關(guān)鍵詞體現(xiàn)論文的核心主題，對關(guān)鍵詞分析能夠發(fā)現(xiàn)某一領(lǐng)域的研究熱點[27]，利用VOSviewer 對關(guān)鍵詞進行可視化分析，選取頻次≥10 的關(guān)鍵詞生成關(guān)鍵詞共現(xiàn)圖譜，如圖4所示。

總體來看，該領(lǐng)域演化出3條主要的研究路徑：反硝化微生物群落結(jié)構(gòu)、生物反硝化、污廢水脫氮。涵蓋的主要研究領(lǐng)域包括：一是土壤、水體等環(huán)境中的反硝化生物群落多樣性的測定；二是廢水中氮污染物的降解去除研究；三是對生物反硝化脫氮研究，主要表現(xiàn)在反硝化細菌的分離篩選，四是對氮去除途徑的研究，如氨氧化、短程硝化反硝化，好氧反硝化。

根據(jù)關(guān)鍵詞共現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)（圖a），“Denitrifying bacteria”出現(xiàn)頻次較高，同時形成與“denitrification”“nitrogen removal”“Nitrate”等緊密相連的六大聚類，如圖中所示，六大聚類代表性關(guān)鍵詞分別是：nitrate、denitrifying bacteria、nitrogen removal、denitrifiction、nitrite、environment等。

頻次前十的關(guān)鍵詞如圖b所示；分析可知，硝化反硝化是該領(lǐng)域的理論基石；污廢水、活性污泥等關(guān)鍵詞體現(xiàn)出應(yīng)用領(lǐng)域；另外，研究反硝化細菌的生物群落結(jié)構(gòu)和多樣性是該領(lǐng)域的研究熱點所在。綜合來看，反硝化菌株在缺氧或好氧條件下降解脂肪族和芳香族化合物、好氧反硝化細菌的篩選及其脫氮特性、好氧反硝化脫氮機制研究依舊是當(dāng)前的研究熱點。

（2）研究現(xiàn)狀

關(guān)鍵詞的“突變”可以客觀描述短時間內(nèi)某個學(xué)科領(lǐng)域動態(tài)的研究前沿問題，反映一段時間內(nèi)的研究熱點和發(fā)展趨勢[28]。利用Citespace軟件的突變檢測算法(Burstness)對該領(lǐng)域6204 篇文獻做關(guān)鍵詞突變分析，突變詞信息如表2所示。

結(jié)果顯示，該領(lǐng)域研究前沿一直處于動態(tài)變化；在研究初期(1990—2004)，學(xué)者們更關(guān)注反硝化細菌的厭氧降解過程和代謝途徑；隨著對該領(lǐng)域廣度和深度的挖掘(2004—2016)，研究人員開始利用分子生物學(xué)工具揭示反硝化細菌的基因信息；另外，該時期也突出了好氧反硝化以及反硝化細菌的分離鑒定研究；近幾年(2016—2022)研究者在關(guān)注反硝化細菌脫氮性能、生物群落分析等研究的同時，污水脫氮、異養(yǎng)硝化好氧反硝化、氮氧化物的釋放也是近幾年的重點關(guān)注方向。

突變強度最大的關(guān)鍵詞是“脫氮性能(performance)”，開始突變時間較晚，說明近幾年研究者更關(guān)注生物脫氮性能以及致力于提高污廢水脫氮效能。

（3）研究趨勢

①氧化物的釋放

氧化亞氮(N2O)是一種強大的長壽命溫室氣體，是破壞臭氧層的主要貢獻者之一，氧化亞氮的大量排放嚴重影響了全球氣候變化[29]，其全球變暖潛能值是二氧化碳的298 倍[30]；反硝化作為溫室氣體N2O 的一個主要來源，在過去幾十年中引起了科研工作者的極大興趣[31]。有研究統(tǒng)計，大氣中N2O 濃度的增長率估計為每10年2%左右[32]。伴隨著全球經(jīng)濟的發(fā)展和人口資源的增長，N2O 排放可能進一步增加。因此，了解N2O排放機制，尋求N2O減排方法，對中國乃至全球溫室氣體減排具有重要意義。

②反硝化功能菌劑的研制和應(yīng)用

當(dāng)前研究主要關(guān)注自然環(huán)境中的反硝化微生物群落結(jié)構(gòu)[33-34]、利用生物群落分析氮循環(huán)過程[35]、利用分子生物技術(shù)探究脫氮功能菌群[36]，而對于反硝化功能菌劑的研究較少，面對生物脫氮效果不佳，生物存活率低，研制反硝化菌劑具有較高的應(yīng)用價值；如YANG等[37]以生物電化學(xué)確定了以Thauera為主的好氧反硝化聯(lián)合體，該聯(lián)合體具有良好的電化學(xué)活性和污染物性能。

③同步硝化反硝化

同步硝化反硝化(SND)因其運行成本低、反應(yīng)速率快、出水水質(zhì)好等優(yōu)勢，近年來受到廣大研究者的青睞；SND 的實現(xiàn)關(guān)鍵在于異養(yǎng)硝化好氧反硝化細菌(HN-AD)，該類菌生長速率快，可利用有機基質(zhì)作為碳源，也可同時降解不同形態(tài)的氮污染物[38]。這些優(yōu)勢使得硝化和反硝化在同一反應(yīng)器、同一條件下進行成為可能。但同步硝化反硝化處理生活污水的氮代謝途徑及其耦合機制尚不明確、在不同運行環(huán)境下的脫氮途徑變化趨勢不清晰、脫氮效果不佳等問題亟待解決[39]。

④新型反硝化細菌的分離鑒定

新型反硝化細菌的分離鑒定及其脫氮途徑依舊是未來幾年內(nèi)的熱點研究所在。如CHEN等[40]從人工濕地中分離出一株異養(yǎng)硝化好氧反硝化細菌AlcaligenesfaecalisstrainWT14，該菌具有較強的硝酸鹽或亞硝酸鹽去除能力。LV 等[41]從城市活性污泥中分離到一種新型好氧反硝化菌Pseudomonassp.41，該菌株能在低溫條件下快速降解高濃度NO3--N。

⑤硝酸鹽氮的去除

目前，氮肥的過量使用，生活污水和人畜糞便大量排放，使得水體中的硝酸鹽氮成為一種分布廣泛且日益增加的污染物[42-43]。硝酸鹽含量高不僅會造成水體富營養(yǎng)化，并且在厭氧和缺氧條件下產(chǎn)生的亞硝胺(NOAs)具有高毒害作用[44]；硝酸鹽污染問題已引起世界關(guān)注。此外，反硝化作用是溫室氣體N2O 排放的重要途徑[45]；因此，利用經(jīng)濟環(huán)保高效的生物處理技術(shù)去除硝酸鹽氮具有十分重要的意義。

3 結(jié)論

本研究利用信息可視化軟件Citespace 和VOSviewer 對1990—2022 年WOS 數(shù)據(jù)庫收錄的反硝化細菌領(lǐng)域研究文獻進行可視化分析，得出如下結(jié)論：

（1）時間維度上，該領(lǐng)域發(fā)展過程有起因、探索、發(fā)展三個階段；從空間特征來看，涉足國家較多，以中國、美國、德國為代表；歐洲國家合作意識較強，但總體合作關(guān)系較弱；中國研究起始于1996 年，隨后引領(lǐng)研究潮流。

（2）核心作者214 位，但合作交流較少；中國核心作者較多，以彭永臻院士為代表。從高被引論文可以看出，該領(lǐng)域借助生物化學(xué)和分子生物學(xué)工具，關(guān)注反硝化途徑、生物群落分析、好氧反硝化等研究內(nèi)容，另外，高被引論文主要產(chǎn)自歐洲國家，中國在論文質(zhì)量和影響力方面有待加強。

（3）關(guān)鍵詞呈現(xiàn)出“工具—對象—方法”三種類型，反硝化是該領(lǐng)域的研究基礎(chǔ)，分子生物學(xué)等是工具，生物群落、污廢水脫氮等是研究對象；當(dāng)前的研究主要關(guān)注硝酸鹽氮的去除、好氧反硝化、有機化合物的反硝化降解以及反硝化細菌的篩選等；隨著該領(lǐng)域廣度和深度挖掘，研究人員更關(guān)注生物脫氮性能以及致力于提高污廢水的脫氮效能。

（4）根據(jù)分析結(jié)果，未來“反硝化細菌”研究領(lǐng)域更注重以下幾個方面的深化和擴展：氮氧化物的排放研究、新型反硝化細菌的篩選及反硝化菌劑的研制和應(yīng)用、同步硝化反硝化研究、硝酸鹽氮的去除。