従属栄養性硝化細菌YLの脱窒過程とNO生成特性

[Denitrification Process and NO Production Characteristics of Heterotrophic Nitrifying Bacterium YL].

• Lei Yang
• Shen Cui
• Yong-Xiang Ren
• Lin-Kai Guo
• Zhi-Hao Zhang
• Qian Xiao
• Ning Chen
• Xu-Hui Wang

抄録

窒素を含む排水が大量に排出されているため、水域の富栄養化が深刻化しており、この排水からいかに効果的に窒素を除去するかが喫緊の課題となっている。本研究では、従来の生物学的窒素除去プロセスでは、手順が複雑で時間がかかる、エネルギー消費量が多い、耐衝撃性が弱い、NOの放出が少ないなどの欠点があるため、高効率な従属栄養性硝化細菌YLの生理生化学的特性、従属栄養性硝化-嫌気性脱窒特性、NO生成特性を議論することにより、従属栄養性硝化による窒素除去理論をさらに解析した。その結果、本菌株YLは顕著な従属栄養性硝化-好気性脱窒能を有し、24時間の培養期間中に100mg-Lの濃度のNH-N、NO-N、NO-Nを完全に除去することができた。従属栄養性硝化の過程では中間生成物はほとんど見られなかったが、NO-Nを窒素源として使用した場合、NO-Nの蓄積量は25.55mg-Lに達した。一方、脱窒遺伝子の発現に成功したことから、YL株の好気性脱窒能力がさらに確認された。YL株の従属栄養性硝化-好気性脱窒過程では、ガス状窒素生成物が除去されたTNの約30〜40％を占め、Nが主な脱窒生成物であった。窒素源としてNH-N、NO-Nを単独で使用した場合、N産生量はそれぞれ3.46、3.49、3.36mgであった。一方、株YLによる脱窒過程では、NOの生成量は少量にとどまり、NH-Nを窒素源とした場合の総量は6.63μgであり、NO-N、NO-Nを単独窒素源とした場合に比べて大幅に減少していた。また、高C/N、低pH、高温、高NH-N、高NO-Nの条件では、より多くのNOが発生する可能性があった。しかしながら、YL株のNO産生にはほとんどの環境因子が影響を与えず、最大NO産生量はショートカット硝化系や自己栄養化系に比べて有意に低かった。以上の結果から，YL株は窒素除去能力，NO排出抑制能力，環境条件への耐性に優れており，二次大気汚染のない廃水処理に有効な候補株であることが明らかとなった。

Because of the massive discharge of nitrogenous wastewater, the eutrophication of a water body is becoming increasingly serious, and how to effectively remove nitrogen from this wastewater remains an urgent problem to be solved. In this study, due to disadvantages in the traditional biological nitrogen removal process, such as complex and long procedures, high energy consumption, weak impact resistance, and NO release, the nitrogen removal theory by heterotrophic nitrification was further analyzed by discussing the physiological-biochemical, heterotrophic nitrification-aerobic denitrification, and NO production characteristics of a high-efficiency heterotrophic nitrifying bacteria YL. Results show that the strain YL had an eminent heterotrophic nitrification and aerobic denitrification ability, and NH-N, NO-N, and NO-N with concentration of 100 mg·L could be completely removed during the 24-hour incubation period. There was almost no intermediate product in the process of heterotrophic nitrification, however when NO-N was used as nitrogen source, the accumulation of NO-N reached 25.55 mg·L. Meanwhile, the successful expression of denitrification genes , , and further confirmed the aerobic denitrification ability of strain YL. Gaseous nitrogen products accounted for about 30%-40% of removed TN in the heterotrophic nitrification-aerobic denitrification process by strain YL, and N was the main denitrification product. When NH-N, NO-N, and NO-N were used as the sole nitrogen source, N production amounted to 3.46, 3.49, and 3.36 mg, respectively. In contrast, only small amounts of NO were produced in the denitrification process by strain YL, and the total amount was 6.63 μg when NH-N was the nitrogen source, which was much lower than in the cases of NO-N and NO-N as the sole nitrogen source. In addition, high C/N, low pH, high temperature, high NH-N, and high NO-N conditions could result in more NO generation. Nevertheless, most environmental factors had little effect on NO production of strain YL, and the maximum NO production was significantly lower than that of short-cut nitrification system and autotrophic nitrification system. These results demonstrated that strain YL exhibited excellent abilities of nitrogen removal, NO emission control, and tolerance to environmental conditions, and could be an effective candidate for treating wastewater without secondary air pollution.