一株异养硝化-好氧反硝化地衣芽孢杆菌的脱氮特性及机制研究

分离自对虾养殖池塘的地衣芽孢杆菌（Bacillus licheniformis）MP15具有高效的异养硝化-好氧反硝化性能。为了进一步研究菌株MP15的脱氮特性和脱氮机制，本研究采用氮同位素标记法，对其在氮基础降解液中的脱氮特性和机制进行了深入的研究。

研究结果显示：在初始无机氮浓度为42 mg/L的氮基础降解液中，其对NH₄⁺-N、NO₂^--N和NO₃^--N的最大去除速率分别为1.03 mg NH₄⁺-N/L/h、1.74 mg NO₂^--N/L/h和1.02 mg NO₃^--N/L/h。氮代谢过程中羟胺氧化还原酶、亚硝酸盐还原酶和硝酸盐还原酶的酶比活力分别为0.5406 U/mg、0.1578 U/mg和0.1609 U/mg。

对菌株MP15脱氮过程中的¹⁵N同位素示踪结果显示，以NH₄⁺-N作为唯一氮源时，仅产生¹⁵N₂O；当菌株MP15分别以NO₂^--N和NO₃^--N作为唯一氮源时，可同时检测到¹⁵N₂O和¹⁵N₂。

综合上述结果，菌株MP15对无机氮的去除主要包括：同化作用、硝化作用和反硝化作用。其中对NH₄⁺-N的硝化途径为：NH₄⁺-N→NH₂OH→N₂O；对NO₂^--N的硝化-反硝化途径为：NO₃^--N←NO₂^--N→N₂O/N₂；其对NO₃^--N的反硝化途径为：NO₃^--N→NO₂^--N→N₂O/N₂。

图1 地衣芽孢杆菌MP15以氯化铵作为唯一氮源时的脱氮特性

当菌株MP15以NO₂^--N作为唯一氮源（NDM）时，其脱氮特性见图2。

图2 地衣芽孢杆菌MP15以亚硝酸钠作为唯一氮源时的脱氮特性

当菌株MP15以NO₃^--N作为唯一氮源（DM）时，菌株MP15的好氧反硝化性能见图3。

图3 地衣芽孢杆菌MP15以硝酸钠作为唯一氮源时的脱氮特性

对菌株MP15脱氮过程中关键酶活的测定主要包括粗酶液中的硝酸盐还原酶（Nar）、亚硝酸盐还原酶（Nir）和羟胺氧化还原酶（Hao），测定结果见表1。在菌株MP15脱氮过程中，Nar、Nir和Hao均具有一定量的表达，在粗酶液中，检测到菌株MP15的Nar、Nir和Hao的酶比活力分别为0.1609 U/mg、0.1578 U/mg和0.5406 U/mg。

通过上述实验，根据氮平衡计算，菌株MP15在不同的氮基础降解液中可能通过不同的硝化-反硝化途径，分别将基础降解液中的NH₄⁺-N，NO₂^--N、NO₃^--N等转化成了气态氮化合物，因此利用¹⁵N同位素标记，通过GC-IRMS检测实验结束时不同实验组和对照组顶空气体中的¹⁵N₂和¹⁵N₂O，其中¹⁵N₂和¹⁵N₂O的GC-IRMS气体检测结果见表2。

由表2可见，当菌株MP15以Na¹⁵NO₂和Na¹⁵NO₃作为唯一氮源时，N₂和N₂O的δ¹⁵N值均显著高于对照，表明菌株MP15可通过好氧反硝化作用将NO₂^--N和NO₃^--N转化为N₂和N₂O。当以¹⁵NH₄Cl作为唯一氮源时，仅检测到¹⁵N₂O的产生，表明菌株可通过硝化作用将NH₄⁺-N转化为⁵N₂O。