铁基质自养微生物去除水中硝酸盐污染的机理和方法研究

水中硝酸盐污染物的去除是国内外广泛关注的课题。铁基质自养反硝化是自养微生物在以铁基质作为电子供体的氧化还原反应中获得能量，使硝酸盐还原为氮气，已被证明是一种很有前景的生物脱氮方法，但迄今为止对铁基质自养反硝化的生理生化代谢、动力学及相关酶学特性等机理研究及工艺应用研究还存在许多空白。本课题拟从筛选以铁基质作为最终电子供体的自养反硝化菌种入手，在对功能菌进行生长代谢规律、脱氮机理和脱氮关键功能基因克隆研究的基础上，构建铁基质自养反硝化处理工艺；利用原子力显微镜、扫描电镜等手段，结合分子生物学技术揭示反硝化系统中微生物群落构成和演替规律，研究不同环境条件影响导致的种群动态变化及相应的污染物去除效率变化，建立铁基质自养微生物对硝酸盐污染物的降解规律，为反应器的参数运行优化奠定理论基础，实现高效去除硝酸盐污染物的目的。通过本课题的研究，可为解决我国受污染水的硝酸盐去除问题提供新的研究思路。

本项目研究利用Fe2+和NO3-富集驯化铁基质自养反硝化细菌，此类菌种能以Fe2+为电子供体，以NO3-为电子受体，进行自养反硝化脱氮。试验以东湖深层底泥沉积物为菌种来源，以铁基质自养反硝化专性培养基富集培养，分离得到3株细菌，分别命名为W1、W2和W5。经生理生化、16S rDNA系统发育分析鉴定菌株W1和W2为假单胞菌(Pseudomonas sp.)，W5为微杆菌（Microbacterium sp.）。通过批式培养试验考察3株铁基质自养反硝化菌的生态影响因子对其自养反硝化性能的影响。对亚硝酸盐还原酶Nir与硝酸盐还原酶Nar的编码基因研究表明，3株铁基质自养反硝化菌均为nirS+和nirK-型，且均含有napA基因，另外W1和W5菌株还含有narG基因。用已分离出的这三种铁基质自养微生物作为种源，构建铁自养反硝化生物膜反应器，研究反应器的最佳硝氮去除工况条件，探讨反应机理。通过PCR-DGGE等方法，研究反应器内微生物群落的演替和变化规律。对其反硝化功能基因narG和nirS的克隆结果表明，反应器内含有此两种反硝化功能基因的微生物，它们在反应器脱氮过程中起着关键性的作用。