河流沉积物反硝化治理对环境的保护措施
李石宝 邢玉泽
摘要：反硝化过程是治理拉萨河河流沉积物，改善流域生态环境的有效途径。本文对此展开探究，概述了反硝化机理与影响因素，分析了反硝化四个还原过程的特征，提出了同位素配对法对N2产物的精准测定。
关键词：沉积物；反硝化；氮气；一氧化氮；同位素配对
中图分类号：X13 文献标识码：A 文章编号：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 机理
反硝化菌在无氧环境下，通过将硝酸盐作为电子受体完成呼吸作用，从而获得相应的能量。这一过程是硝酸盐呼吸的途径之一。少数反硝化细菌为自养菌，如脱氮硫杆菌，它们氧化硫或氢获得能量，同化二氧化碳，以硝酸盐为呼吸作用的最终电子受体。
总反硝化过程方程式如下：
2NO3- + 10e -+ 12H+ → N2 + 6H2O，ΔG=-333kJ/mol
其中包括了四个还原反应：
A.硝酸盐还原为亚硝酸盐：2NO3-+ 4H+ + 4e- → 2NO2-+ 2H2O
B.亚硝酸盐还原为一氧化氮：2NO2-+ 4H+ + 2e- → 2NO + 2H2O
C.一氧化氮还原为一氧化二氮：2NO + 2H+ + 2e- → N2O + H2O
D.一氧化二氮还原为氮气：N2O + 2H+ + 2e- → N2 + H2O
反硝化作用使硝酸盐还原为氮气，降低土壤氮素营养含量，对于农业生产不利。反硝化主要应用于河流沉积物的处理，用于改善河流氮污染，控制温室气体释放，预测环境变化。
1.2 影响因素
（1）通气与水分：反硝化作用通常是在缺氧与厌氧环境下进行的，所以受土壤水分与空气流通因素影响较大。旱地土壤中存在的局部与暂时性的环境为反硝化作用提供了条件，施加有机肥能够增加好氧微生物呼吸作用，可以促进反硝化作用[1-2]。
（2）温度：反硝化作用的温度限制范围比较宽，在-4-65℃之间反硝化作用都可以进行，要发生显著的反硝化作用，温度必须控制在5℃以上。反硝化最佳温度环境为30-60℃。
（3）碳源：反硝化细菌绝大多数都是异氧细菌，碳源种类对硝酸还原酶活性没有显著的影响，对氧化亚氮还原酶活性有影响。如果C/N比值过高，碳源就相对过剩，就要消耗部分NO3-作为氮源，作为电子受体的硝酸根离子相对较少，所以还原产生的氧化二氮含量就会减少；相反的，如果C/N比值降低，则碳源相对匮乏，硝酸根离子浓度较高，可以促进反硝化作用，产生反硝化作用的中间产物有所增多。
（4）酸堿度：酸碱度是反硝化过程的重要影响因素，反硝化细菌最适宜在pH6.5-7.5范围内发生作用，此时的反硝化速率最快，当酸碱度不在这一范围内时，反硝化速率明显下降。河流等水生生态系统中，反硝化过程的控制因素非常重要，因为这些影响因素决定了河流氮污染的治理效率、对温室气体的控制效率，以及对环境预测的效率。
2 反硝化酶促反应
2.1 硝酸盐还原
硝酸盐还原酶能够促进硝酸盐的还原反应，还原生成亚硝酸盐。化学方程式为：
用于硝酸盐还原的还原酶主要有两类，一类是镶嵌于细胞膜内表面的硝酸盐还原酶，另一类是分布在细胞膜外的硝酸盐还原酶。前者主要包括3个复合体，由亚基组成；后者复合体由2个亚基组成。这两类硝酸盐还原酶都有钼碟呤鸟嘌呤二核苷酸，以及铁硫蛋白等结构。
2.2 亚硝酸盐还原
在亚硝酸盐还原酶的作用下，亚硝酸盐被还原成一氧化氮，这是反硝化关键的一步。同时一氧化氮也是反硝化过程的第一个气态中间产物，具有较强的反应性，是毒害气体。
亚硝酸还原酶主要以胞内酶为主，细胞内部具有降解亚硝酸盐的功能，是一种氧化还原酶。亚硝酸盐还原过程中，催化作用必须同时依靠电子供体与传递体的参与，在无氧环境下进行。
亚硝酸还原酶同样分布在细胞膜的外质中，按照催化中心可以分为Cu型与Cyt型亚硝酸盐还原酶。通常这两类还原酶不会同时存在于一种细菌中。目前运用较多的是第二种Cyt型亚硝酸盐还原酶，该类还原酶属于二聚体[3]。
2.3 一氧化氮还原
一氧化氮还原反应同样在一氧化氮还原酶的催化作用下进行，这一过程一氧化氮将被还原为一氧化二氮。
一氧化氮还原酶是反硝化过程中最后一个被分离的酶，分布于细胞膜表面。一氧化氮还原酶包括2个亚单位，分子量分别为53kDa、16.5kDa。较大的亚单位具有疏水性，其内部包含组氨酸，能够与血红素结合；较小的亚单位能够与红血素结合，主要存在于细胞外部周质，能够接收外部电子。一氧化氮对环境有危害，对水体、土壤和大气可造成污染。聚合危害表现在与氧气聚合形成腐蚀性二氧化氮；分解产物为氮气，氧气，还有少量一氧化二氮。工业上一氧化氮去除方法主要是采用氢氧化钠反应，方程式为NO + NO2 + 2NaOH = 2NaNO2 + H2O。
2.4 一氧化二氮还原
一氧化二氮还原反应是整个反硝化过程的最后步骤，在一氧化二氮还原酶的作用下将一氧化二氮还原为氮气。
一氧化二氮还原酶最早于20世纪八十年代末被发现，分布于膜外周质，属于二聚体，分子量为67kDa。主要包含两个铜活性中心，但是催化中心结构目前还不清楚。国外科学家在施氏假单胞菌的研究中确定了一氧化二氮还原酶，在有一氧化二氮存在的情况下，X射线晶体结构中无氧的条件下为紫色活跃的还原酶。这一研究结果说明，基质结合点上的Cu硫团性质，同时也表明一氧化二氮与复杂金属中心的相互作用。
3 反硝化测定技术
同位素配对法是测定氮气最为准确的方法之一，测定过程的灵敏度非常高，是目前应用比较广泛的反硝化测定技术。在拉萨河流水生生态系统中，采用15N同位素配对法，是将15N元素所在硝酸根加入沉积物覆水中，让15NO3-与14NO3-混合之后，经过沉积物的反硝化作用，产生28N、29N、30N，进而对这些产物进行测定。反硝化过程消耗的硝酸盐主要来自于沉积物的耦合消化与非耦合消化作用，对这两类应当加以区别[3]。同时，拉萨河河流反硝化脱氮产生的氮气也有可能是在厌氧氨氧化的作用下产生的。通过同位素配对，能够准确识别两种情况下的脱氮效率。一般反硝化作用的脱氮率能够达到90%以上，而厌氧氨氧化作用脱氮效率要小很多。不过对于拉萨河河流反硝化的处理，其水生环境中的植物、底泥物质都会对同位素配对造成干扰，包括生物膜、附着生物、腐殖质等，都会成为反硝化集中区域。所以对于水生生态环境较为复杂的水域，采用同位素配对技术可能对结果有所高估。
4 结语
反硝化处理技术是改善拉萨河河流生态环境的重要技术手段，反硝化过程主要包括四个阶段：硝酸盐还原为亚硝酸盐、亚硝酸盐还原为一氧化氮、一氧化氮还原为一氧化二氮、一氧化二氮还原为氮气。反硝化过程是去除拉萨河河流氮素、解决拉萨河河流氮污染的最佳途径，同时能够调节区域氮循环，乃至调节全球范围的氮循环，改善整体环境[4]。
参考文献
[1]张波，杜应旸，陈宇炜等.太湖流域典型河流沉积物的反硝化作用[J].環境科学学报，2012，32（8）：1866-1873.
[2]王琳，李季，康文力等.河流沉积物中反硝化细菌的分离及脱氮除磷研究[J].环境科学，2009，30（1）：91-95.
[3]鞠菲.锦凌水库施工建设过程中的生态环境保护措施[J].环境保护与循环经济，2013，33（07）：59-61.
[4]刘玉凤.青山水库生态环境现状及保护措施[J].环境保护与循环经济，2012，32（07）：73-75.
收稿日期：2017-12-05
项目基金 ：西藏大学人才队伍建设项目《拉萨河沉积物反硝化研究》，项目编号：010341
作者简介：李石宝（1990-），男，博士生，西藏大学理学院讲师，西藏地理科研团队、藏式建筑与人居环境研究创新团队成员，研究方向为地理科学与生态学。
摘要：反硝化过程是治理拉萨河河流沉积物，改善流域生态环境的有效途径。本文对此展开探究，概述了反硝化机理与影响因素，分析了反硝化四个还原过程的特征，提出了同位素配对法对N2产物的精准测定。
关键词：沉积物；反硝化；氮气；一氧化氮；同位素配对
中图分类号：X13 文献标识码：A 文章编号：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 机理
反硝化菌在无氧环境下，通过将硝酸盐作为电子受体完成呼吸作用，从而获得相应的能量。这一过程是硝酸盐呼吸的途径之一。少数反硝化细菌为自养菌，如脱氮硫杆菌，它们氧化硫或氢获得能量，同化二氧化碳，以硝酸盐为呼吸作用的最终电子受体。
总反硝化过程方程式如下：
2NO3- + 10e -+ 12H+ → N2 + 6H2O，ΔG=-333kJ/mol
其中包括了四个还原反应：
A.硝酸盐还原为亚硝酸盐：2NO3-+ 4H+ + 4e- → 2NO2-+ 2H2O
B.亚硝酸盐还原为一氧化氮：2NO2-+ 4H+ + 2e- → 2NO + 2H2O
C.一氧化氮还原为一氧化二氮：2NO + 2H+ + 2e- → N2O + H2O
D.一氧化二氮还原为氮气：N2O + 2H+ + 2e- → N2 + H2O
反硝化作用使硝酸盐还原为氮气，降低土壤氮素营养含量，对于农业生产不利。反硝化主要应用于河流沉积物的处理，用于改善河流氮污染，控制温室气体释放，预测环境变化。
1.2 影响因素
（1）通气与水分：反硝化作用通常是在缺氧与厌氧环境下进行的，所以受土壤水分与空气流通因素影响较大。旱地土壤中存在的局部与暂时性的环境为反硝化作用提供了条件，施加有机肥能够增加好氧微生物呼吸作用，可以促进反硝化作用[1-2]。
（2）温度：反硝化作用的温度限制范围比较宽，在-4-65℃之间反硝化作用都可以进行，要发生显著的反硝化作用，温度必须控制在5℃以上。反硝化最佳温度环境为30-60℃。
（3）碳源：反硝化细菌绝大多数都是异氧细菌，碳源种类对硝酸还原酶活性没有显著的影响，对氧化亚氮还原酶活性有影响。如果C/N比值过高，碳源就相对过剩，就要消耗部分NO3-作为氮源，作为电子受体的硝酸根离子相对较少，所以还原产生的氧化二氮含量就会减少；相反的，如果C/N比值降低，则碳源相对匮乏，硝酸根离子浓度较高，可以促进反硝化作用，产生反硝化作用的中间产物有所增多。
（4）酸堿度：酸碱度是反硝化过程的重要影响因素，反硝化细菌最适宜在pH6.5-7.5范围内发生作用，此时的反硝化速率最快，当酸碱度不在这一范围内时，反硝化速率明显下降。河流等水生生态系统中，反硝化过程的控制因素非常重要，因为这些影响因素决定了河流氮污染的治理效率、对温室气体的控制效率，以及对环境预测的效率。
2 反硝化酶促反应
2.1 硝酸盐还原
硝酸盐还原酶能够促进硝酸盐的还原反应，还原生成亚硝酸盐。化学方程式为：
用于硝酸盐还原的还原酶主要有两类，一类是镶嵌于细胞膜内表面的硝酸盐还原酶，另一类是分布在细胞膜外的硝酸盐还原酶。前者主要包括3个复合体，由亚基组成；后者复合体由2个亚基组成。这两类硝酸盐还原酶都有钼碟呤鸟嘌呤二核苷酸，以及铁硫蛋白等结构。
2.2 亚硝酸盐还原
在亚硝酸盐还原酶的作用下，亚硝酸盐被还原成一氧化氮，这是反硝化关键的一步。同时一氧化氮也是反硝化过程的第一个气态中间产物，具有较强的反应性，是毒害气体。
亚硝酸还原酶主要以胞内酶为主，细胞内部具有降解亚硝酸盐的功能，是一种氧化还原酶。亚硝酸盐还原过程中，催化作用必须同时依靠电子供体与传递体的参与，在无氧环境下进行。
亚硝酸还原酶同样分布在细胞膜的外质中，按照催化中心可以分为Cu型与Cyt型亚硝酸盐还原酶。通常这两类还原酶不会同时存在于一种细菌中。目前运用较多的是第二种Cyt型亚硝酸盐还原酶，该类还原酶属于二聚体[3]。
2.3 一氧化氮还原
一氧化氮还原反应同样在一氧化氮还原酶的催化作用下进行，这一过程一氧化氮将被还原为一氧化二氮。
一氧化氮还原酶是反硝化过程中最后一个被分离的酶，分布于细胞膜表面。一氧化氮还原酶包括2个亚单位，分子量分别为53kDa、16.5kDa。较大的亚单位具有疏水性，其内部包含组氨酸，能够与血红素结合；较小的亚单位能够与红血素结合，主要存在于细胞外部周质，能够接收外部电子。一氧化氮对环境有危害，对水体、土壤和大气可造成污染。聚合危害表现在与氧气聚合形成腐蚀性二氧化氮；分解产物为氮气，氧气，还有少量一氧化二氮。工业上一氧化氮去除方法主要是采用氢氧化钠反应，方程式为NO + NO2 + 2NaOH = 2NaNO2 + H2O。
2.4 一氧化二氮还原
一氧化二氮还原反应是整个反硝化过程的最后步骤，在一氧化二氮还原酶的作用下将一氧化二氮还原为氮气。
一氧化二氮还原酶最早于20世纪八十年代末被发现，分布于膜外周质，属于二聚体，分子量为67kDa。主要包含两个铜活性中心，但是催化中心结构目前还不清楚。国外科学家在施氏假单胞菌的研究中确定了一氧化二氮还原酶，在有一氧化二氮存在的情况下，X射线晶体结构中无氧的条件下为紫色活跃的还原酶。这一研究结果说明，基质结合点上的Cu硫团性质，同时也表明一氧化二氮与复杂金属中心的相互作用。
3 反硝化测定技术
同位素配对法是测定氮气最为准确的方法之一，测定过程的灵敏度非常高，是目前应用比较广泛的反硝化测定技术。在拉萨河流水生生态系统中，采用15N同位素配对法，是将15N元素所在硝酸根加入沉积物覆水中，让15NO3-与14NO3-混合之后，经过沉积物的反硝化作用，产生28N、29N、30N，进而对这些产物进行测定。反硝化过程消耗的硝酸盐主要来自于沉积物的耦合消化与非耦合消化作用，对这两类应当加以区别[3]。同时，拉萨河河流反硝化脱氮产生的氮气也有可能是在厌氧氨氧化的作用下产生的。通过同位素配对，能够准确识别两种情况下的脱氮效率。一般反硝化作用的脱氮率能够达到90%以上，而厌氧氨氧化作用脱氮效率要小很多。不过对于拉萨河河流反硝化的处理，其水生环境中的植物、底泥物质都会对同位素配对造成干扰，包括生物膜、附着生物、腐殖质等，都会成为反硝化集中区域。所以对于水生生态环境较为复杂的水域，采用同位素配对技术可能对结果有所高估。
4 结语
反硝化处理技术是改善拉萨河河流生态环境的重要技术手段，反硝化过程主要包括四个阶段：硝酸盐还原为亚硝酸盐、亚硝酸盐还原为一氧化氮、一氧化氮还原为一氧化二氮、一氧化二氮还原为氮气。反硝化过程是去除拉萨河河流氮素、解决拉萨河河流氮污染的最佳途径，同时能够调节区域氮循环，乃至调节全球范围的氮循环，改善整体环境[4]。
参考文献
[1]张波，杜应旸，陈宇炜等.太湖流域典型河流沉积物的反硝化作用[J].環境科学学报，2012，32（8）：1866-1873.
[2]王琳，李季，康文力等.河流沉积物中反硝化细菌的分离及脱氮除磷研究[J].环境科学，2009，30（1）：91-95.
[3]鞠菲.锦凌水库施工建设过程中的生态环境保护措施[J].环境保护与循环经济，2013，33（07）：59-61.
[4]刘玉凤.青山水库生态环境现状及保护措施[J].环境保护与循环经济，2012，32（07）：73-75.
收稿日期：2017-12-05
项目基金 ：西藏大学人才队伍建设项目《拉萨河沉积物反硝化研究》，项目编号：010341
作者简介：李石宝（1990-），男，博士生，西藏大学理学院讲师，西藏地理科研团队、藏式建筑与人居环境研究创新团队成员，研究方向为地理科学与生态学。
