脱氮是污水处理的一个重要目标，生物法脱氮以其经济性好、处理效率高等优点成为污水处理厂最常用的脱氮工艺^[1]。传统的生物脱氮工艺为好氧硝化和厌氧反硝化相结合(A/O工艺)^[2]，即氨态氮在好氧条件下被自养的亚硝化菌和硝化菌转化为硝酸盐，再在厌氧条件下被异养的反硝化菌转化为N₂O和N₂等气态产物，实现废水中氮的去除。

然而，传统的A/O脱氮工艺具有较多的局限之处。首先，硝化和反硝化由于生境不同，需分别在不同的反应器内进行^[3]，因此反应器建设成本较高；其次，硝化过程受有机物负荷影响较大^[4]，当进水有机物浓度较高时，会严重影响硝化菌的活性和脱氮效果^[5]；第三，传统脱氮微生物生长速率较慢^[6]，活性较低，在低温、高盐等特殊条件下脱氮效果会大幅降低^[7]。

近年来，一些新型高效的生物脱氮工艺逐步引起关注。好氧反硝化作为一种新兴的脱氮技术，相比传统生物脱氮工艺，大部分的好氧反硝化菌同时具有异养硝化的能力，可同时实现废水中有机物和氮的去除^[8]。因此无需另建厌氧反应器，运行和维护的费用较低^[9]，且在处理过程中基本没有硝酸盐和亚硝酸盐的积累^[10]。此外，好氧反硝化菌生长快、活性高^[11-12]，具有良好的应用前景。

目前，关于好氧反硝化过程的研究主要集中在以下三个方面：(1)好氧反硝化菌株的分离鉴定与脱氮性能表征；(2)好氧反硝化过程的应用潜能分析；(3)好氧反硝化过程的机理研究。本文将从这三个方面综述近年来的研究成果，并对今后的研究方向进行展望。

1 好氧反硝化菌株的分离与生理生化特性研究

自1983年第一株具有异养硝化-好氧反硝化功能的菌株Thiosphaera pantotropha报道以来^[13]，研究人员不断地从环境中分离出多株具有好氧反硝化功能的菌株。这些菌株大多分离自活性污泥或污水处理系统中，多数为革兰氏阴性细菌，常见种属为Pseudomonassp.、Alcaligenes sp.、Bacillussp.和Paracoccus sp.等。

近年来，研究人员逐渐从一些新的环境和新的种属中分离得到异养硝化-好氧反硝化菌株，如表 1所示。例如，Kundu等^[14]首次从屠宰废水中分离出一株具有异养硝化-好氧反硝化能力的Chryseobacteriumsp.R31，经过48 h的培养，可达到95.9%的氨氮去除率；Zhang等^[15]发现了Bacillus methylotrophicus L7，是第一株革兰氏阳性的异养硝化-好氧反硝化菌；Chen等^[16]和Chen等^[17]分别研究了此前研究较少的Agrobacteriumsp.和Rhodococcussp.，表明这些菌属中同样拥有可进行异养硝化-好氧反硝化能力的微生物。这些发现不断丰富着我们对好氧反硝化菌的认识。

异养硝化-好氧反硝化过程中各种酶的表达一直是研究者们关注的热点。其中，异养硝化阶段参与的酶有氨单加氧酶和羟胺氧化酶。Ji等^[18]对Pseudomonas stutzeri的研究表明，Pseudomonas stutzeri分两类，其中一类因为缺少氨单加氧酶而无法进行异养硝化，只具有好氧反硝化作用。参与好氧反硝化的酶主要有硝酸盐还原酶、亚硝酸盐还原酶、一氧化氮还原酶和氧化亚氮还原酶。越来越多的研究表明，参与好氧反硝化过程的酶基本都存在于细胞周质中，如由napAB编码的周质硝酸盐还原酶NapAB^[19-20]，由nirS编码的cd1亚硝酸盐还原酶等^{[16, 19]}。

一直以来，关于异养硝化-好氧反硝化过程的影响因素研究主要集中在碳源、C/N、溶解氧(Dissolved oxygen, DO)、pH、温度等方面。已有的研究结果表明，大部分菌株的最佳碳源为丁二酸钠^{[10, 14-16]}，也有部分菌株在乙酸钠^{[16, 21]}或葡萄糖^[14-15]作碳源时效果最好。大部分异养硝化-好氧反硝化菌株在较高的C/N条件下可达到最好的生长速率和脱氮效率，最佳C/N一般为8−15^{[14, 22-23]}。但是也有研究者分离出一些贫营养菌株，可在C/N为2时达到最好的脱氮效果^[7]。DO的研究多以摇瓶实验的转速或顶空氧气饱和度来表征，最适摇瓶转速一般为120-150 r/min (DO约为4-6 mg/L)^[15]，最适顶空氧气饱和度为15%-30%^[22]。此外，大部分菌株在中性偏碱的pH条件下活性最高^{[6, 15, 24]}，最适温度为25-37 ℃^{[6, 15]}。

近年来，研究人员对影响好氧反硝化菌生长和脱氮效果的一些其他因素展开了研究。Chen等^[6]研究了多种因素对Aeromonassp.HN-02的冲击影响，其中包括极端pH、低温和重金属冲击。菌株HN-02可适应pH 4.0-10.0的环境，优于此前报道的大部分好氧反硝化菌。2 mg/L的Cu²⁺对菌株的影响非常大，但相同浓度的Zn²⁺则基本无影响，表明菌株对Cu²⁺更敏感。Shi等^[27]研究了Fe²⁺对Paracoccus versutus LYM的影响。结果表明，当Fe²⁺存在时，菌株LYM对NH₄⁺和NO₃⁻的去除有小幅的提升，同时可降低NO₂⁻的积累，表明Fe²⁺对菌株生长有促进作用。

综合来看，目前关于好氧反硝化菌分离与表征的研究多集中在不同菌株的分离、脱氮性能表征和影响因素讨论三方面，对不同好氧反硝化菌株之间共性及机理的研究较少。以后的研究除了继续分离更新更好的菌株之外，对好氧反硝化菌共性和机理的研究也有待加强。

2 好氧反硝化菌应用潜力分析

好氧反硝化菌生长速度快，对很多特殊废水均有优良的脱氮效果。目前好氧反硝化菌在应用方面的研究主要集中在以下四个方面，分别是低温脱氮、耐盐脱氮、对毒性物质的降解和N₂O减排等。

2.1 低温生物脱氮

环境温度低于10 ℃时，微生物的活性和生长速率会大幅降低，从而使污水脱氮的效果受到影响。相比于传统脱氮工艺，异养硝化-好氧反硝化菌具有较好的低温脱氮效果。Zou等^[35]将驯化得到的低温硝化菌群与好氧反硝化菌群结合使用，10 ℃下以铵盐作为氮源时，反应24 h时氨氮去除率达到100%，48 h时总氮去除率达到80%。Yao等^[36]在有氧条件下对活性污泥进行短期低温驯化，得到具有低温脱氮效果的异养硝化-好氧反硝化菌群。10 ℃下，在以铵盐为氮源时，该菌群可以达到2.44 mg N/(L·h)的脱氮速率，且没有硝酸盐和亚硝酸盐的积累。该脱氮速率相较此前文献中报道的一些硝化菌群落^[37]和好氧颗粒污泥^[38]的低温脱氮速率有了极大的提升。以硝酸盐为氮源时，该菌群的硝酸盐去除速率可达7.68 mg N/(L·h)，高于此前研究中的一些厌氧反硝化菌在低温下对硝酸盐的去除速率^[39-41]。

此外，Yao等^[29]从该菌群中分离出一株Acinetobactersp.HA2，在10 ℃下，分别以铵盐和硝酸盐为氮源时，去除率分别可达到100%(反应时间25 h)和80%(反应时间34 h)。表明菌株HA2具有良好的低温脱氮潜力。

Wang等^[42]研究了短期逐渐降温(温度依次为25、15、10、5 ℃)对好氧反硝化菌群脱氮性能和群落结构的影响。结果表明，好氧反硝化菌群在4个温度下均能实现95%以上的硝酸盐去除率和80%以上的COD去除率。15 ℃时反硝化菌群的比脱氮速率最高，为15.33 mg N/(g SS·h)。通过群落分析得知，菌群中的好氧反硝化菌主要来自Proteobacteria、Bacteroidetes和Firmicutes。温度降低对好氧反硝化菌丰度的影响不大，丰度最高的菌属为Pseudomonas。表明经过驯化的好氧反硝化菌群在低温下可保持较高的活性，从而实现优良的脱氮效果。

2.2 耐盐生物脱氮

部分异养硝化-好氧反硝化菌在盐度较高时仍具有较好的脱氮能力。Guo等^[28]从盐碱湖污泥样品中分离出一株Halomonas campisalisha3，在NaCl含量为4%时达到最大反硝化速率，且在NaCl含量为20%时仍能存活。

Duan等^[20]从海洋沉积物中分离出一株Vibrio diabolicusSF16，当盐度为1%-5%时，对氨氮的去除率可达92%以上(反应时间48 h)。将该菌株接种到盐度为3%的生物过滤反应器中，对氨氮和总氮的去除率比不接种的反应器分别高65.5%和47.2%，表明该菌株具有良好的耐盐脱氮能力。

2.3 毒性物质的生物降解与转化

异养硝化-好氧反硝化菌生长快、活性高，相比传统的脱氮菌，具有更强的毒性物质降解与转化能力。Lu等^[43]从膜生物反应器中分离出一株Serratia sp.LJ-1，可同时降解苯酚和去除氨氮(起始浓度分别为400 mg/L和100 mg/L)，并在300 h后均达到90%以上的去除率。通过氮平衡分析，消耗的氨氮有约54%转化为氮气。表明菌株LJ-1对苯酚具有优良的降解能力。

Ge等^[33]分离得到一株Diaphorobactersp.PDB3，可在好氧条件下同时降解苯酚和转化硝酸盐。当苯酚浓度为1 400 mg/L，硝酸盐浓度为165 mg/L时，反应85 h后可完全降解苯酚，对硝酸盐去除率可达91.5%，表明菌株Diaphorobactersp.PDB3具有十分优良的苯酚降解能力。

He等^[32]从垃圾渗滤液处理反应器中分离得到一株Pseudomonas aeruginosa PCN-2。初始NO₃⁻浓度为200 mg/L，初始Cr (Ⅵ)浓度为5 mg/L时，该菌株在好氧条件下培养9.5 h后可完全去除NO₃⁻，并在13.5 h后去除约90%的Cr (Ⅵ)。转化后的Cr (Ⅲ)均为有机态，其中有68%以上为可溶的有机态Cr (Ⅲ)，剩下的Cr (Ⅲ)为不可溶有机态或被吸附在细胞上。表明该菌株具有良好的Cr (Ⅵ)转化能力。

2.4 N₂O减排

由于N₂O还原酶对氧气浓度非常敏感，因此早期研究者们分离出的异养硝化-好氧反硝化菌的气体产物大多为N₂O^[44-45]。近年来，研究者们逐渐分离出一些以N₂为气体产物的异养硝化-好氧反硝化菌^{[17, 27]}。这些菌株的N₂O产率非常低^[30]，甚至有些Pseudomonas stutzeri能以N₂O为底物进行好氧反硝化^[46]，这为N₂O减排提供了新的思路。

Miyahara等^[46]研究了Pseudomonas stutzeri TR2在O₂、NO₂⁻和N₂O同时存在时菌株对3种底物的利用效率。结果表明，在O₂消耗完之前就已经开始了N₂O的消耗，而且很快就消耗完毕。在初始O₂浓度为3%时，将菌株TR2添加到序批式膜生物反应器中进行碳源受限模拟实验，结果显示，添加了TR2的反应器的N₂O产量要远低于对照组，表明TR2具有良好的N₂O减排能力。

Zheng等^[30]从生物滤池中分离出一株Pseudomonas stutzeri PCN-1，可以N₂O为底物进行反硝化。初始N₂O浓度为39.4 mg/L时，PCN-1可以在4 h内达到98.1%的去除率。以硝酸盐为底物时，在顶空O₂浓度不大于50%情况下，脱氮效率基本不受影响，而且反应结束后没有NO和N₂O的积累。将PCN-1接种到普通活性污泥中后，可显著提升总氮去除效果，并降低N₂O产量，表明PCN-1具有良好的N₂O减排潜力。

3 好氧反硝化过程机理分析

好氧反硝化过程中的电子传递途径如图 1所示。Chen等^[19]研究了有氧呼吸和反硝化过程中的电子传递，从生物能学和动力学两个方面分析了氧气和硝酸盐作为电子受体时的竞争力。分析结果显示，硝酸盐在生物能学和动力学方面均不占优势，因此当氧气存在时，微生物总是倾向于使用氧气作为电子受体。

然而Robertson等^[47]对异养硝化-好氧反硝化菌Thiosphaera pantotropha的研究表明，在氧气和硝酸盐同时存在时，Thiosphaera pantotropha可同时利用氧气和硝酸盐且生长速率更快。Patureau等^[48]通过COD的消耗计算了好氧反硝化菌群在不同DO和碳氮负荷条件下有氧呼吸和反硝化消耗有机物的比例。结果显示，在不同DO条件下，硝酸盐都有消耗。DO升高，有氧呼吸消耗COD的比例逐渐上升，反硝化消耗COD的比例逐渐下降并趋于稳定。在DO为1.7-6.3 mg/L时，硝酸盐的去除率为31%左右，反硝化消耗COD的比例稳定在10%-15%。这个结果表明，反硝化可在好氧条件下发生。当DO较低时，提升DO浓度会显著降低反硝化消耗COD的比例；但当DO逐渐上升并超过一定浓度时(文中为1.7 mg/L)，提升DO对反硝化所占的比例基本无影响。此外，文中对好氧反硝化菌株M.aerodenitrificans的研究得到了相同的规律，但反硝化消耗COD的比例相比上述的好氧反硝化菌群要更小。以上研究均证明，氧气和硝酸盐可以同时作为电子受体参与到微生物的新陈代谢过程中。

Huang等^[49]认为，氧气和硝酸盐同时存在时，反硝化作为辅助电子传递途径，是对有氧呼吸的补充，可防止NAD (P) H的大量积累。此外，细胞色素的氧化还原水平会控制电子流向不同的细胞色素，以此确定电子是否足够发生反硝化。因此，电子可同时流向氧气和硝酸盐，反硝化确实有在好氧条件下发生的可能。

Chen等^[50]研究了连续培养时不同稀释度和DO浓度对菌株Pseudomonas aeruginosa电子传递过程的影响，并通过对莫诺方程各个参数的求解来讨论氧气对反硝化的抑制作用。结果表明，在不同的稀释度和DO浓度下，电子都会同时传递给氧气和硝酸盐。在稀释度较低时，随着DO的上升，电子传递给氧气的比例逐渐上升。但随着稀释度的提高，DO对电子传递比例的影响逐渐下降。莫诺方程的求解结果显示，DO的莫诺常数非常低，只有0.004 mg/L，即当DO小于0.004 mg/L时，提高DO会使电子传递给氧气的比例显著提升；但DO超过两倍莫诺常数(0.008 mg/L)后，提高DO对电子传递分配比例的影响十分微弱。该结果与Patureau等^[48]的研究相一致，即DO只在浓度较低时会显著影响电子在氧气和硝酸盐之间的分配；当DO高于一定值时，电子在氧气与硝酸盐之间的分配比基本趋于稳定，不再随DO的变化而改变。但由于不同研究人员用到的好氧反硝化微生物与研究方法各不相同，因此具体的DO阈值也有所差别。

Chen等^[50]认为微生物的呼吸链高度分支化，这个复杂的呼吸链允许微生物构建一个最具能效的途径来适应环境条件，而不仅仅是一个简单的能量传递途径。当微生物对能量的需求较少时，由于氧气的电子亲和力高于硝酸盐，微生物会更倾向于选择氧气作为电子受体；当微生物对能量的需求较大时，硝酸盐作为电子受体的竞争力提升，电子传递给硝酸盐的比例会增大。此外，当环境中硝酸盐浓度较高时，会提升潜在的离子运输驱动力，使微生物倾向于提升硝酸盐作为电子受体的比例。

综上所述，虽然硝酸盐对电子的竞争能力弱于氧气，但硝酸盐仍可与氧气一起参与到微生物的新陈代谢中，即发生好氧反硝化现象。从电子传递的角度来讲，当DO浓度较低时，提升DO对电子传递给氧气和硝酸盐的分配比例影响较大；随着DO的提升，电子在氧气和硝酸盐之间的分配比例趋于稳定。但是高DO浓度会对微生物反硝化酶的合成与活性造成影响^[47]，因此会降低反硝化的效率。

此外，好氧反硝化过程中还有一些新的途径未被发现或证实，比如NO的歧化作用^{[19, 51]}等。近年来，关于好氧反硝化菌代谢机理的研究成果较少，有待进一步深入研究。

4 总结与展望

目前关于好氧反硝化菌的研究多集中在不断分离更新更好的菌株，以及研究各种因素对菌株脱氮性能的影响等方面。不同的菌株除了脱氮性能存在差异外，对碳源、碳氮比、温度和DO等环境因素的要求也各不相同。不同好氧反硝化菌株之间的差异和共同点，以及存在这些共性和差异的原因尚不明确，需要更进一步的研究。

关于好氧反硝化机理方面的研究虽然取得了一定的进展，但更深层次的研究仍然较为缺乏。早期的研究多集中于通过反应器进出水中碳氮浓度的变化来推测好氧反硝化发生的机理，发现微生物确实可以同时利用氧气和硝酸盐进行新陈代谢过程。但从分子生物学角度研究微生物在好氧环境下反硝化各功能基因的表达条件，以及在该表达过程中微生物内部各种基因的调控，与普通反硝化功能基因表达存在着什么相同与差异仍不明确，需要进行大量的研究。

关于异养硝化-好氧反硝化应用方面的研究多集中在特殊环境下，好氧反硝化菌株或菌群脱氮性能的考察，使用好氧反硝化菌进行实际生物强化的研究较少。实验室条件下效果优良的菌株或菌群，在接种到活性污泥后有时并不能得到预期的结果^[52]。但不可否认的是，这些在实验室条件下表现优良的菌株及菌群拥有巨大的实际应用潜力。因此，研究菌株或菌群在接种进入活性污泥后的长期表现及工艺调控，对于实现有效的生物强化是必不可少的。

除此之外，好氧反硝化菌的研究还可从以下几个方面进行：(1)好氧反硝化菌具有较高的有机物降解效率，其降解难降解有机物的潜力有待发掘。(2)好氧反硝化微生物往往要求较高的C/N和碳氮负荷，但也有一些好氧反硝化菌株在较低的C/N和碳氮负荷下具有优良的脱氮效果，这些菌株的脱氮特性及应用潜力有待深入研究。(3)废水处理过程中脱氮和除磷往往需要同步进行，怎样将好氧反硝化工艺与除磷工艺进行耦合并优化处理效果，仍需要更多的尝试与探索。