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针对我国水资源污染现状,本文基于铁氧化细菌(Fe-oxidizing Bacteria,FOB)的研究理论,开展对其硝酸盐依赖型铁氧化(nitrate-dependent Fe(II)oxidation,NDFO)代谢特性研究。通过菌株筛选、效能考察、代谢机理解析、反应器建立与运行等手段及方法,首次明确Aquabacteria种属菌株的NDFO代谢特性及机理。本研究在实验室现保存的不同种属的铁氧化细菌中,通过对照试验,筛选出一株水小杆菌属菌株Aquabacteriaum parvum B6。该菌株在厌氧培养过程中对Fe(II)和硝酸盐氮的代谢特性十分显著,细胞数目也有明显增加。厌氧连续培养试验发现,菌株B6在厌氧培养条件下,可以达到理想的NDFO效果,培养瓶中微生物数量也可达到最高值,约为2.73×105 cell/m L。考察不同环境因子对菌株B6的NDFO效能影响。经过综合比较发现:以酵母提取物或乙酸钠为碳源的培养条件下菌株B6对NO-3-N的去除和对Fe(II)的氧化效能较高;葡萄糖是最有利于微生物生长的碳源类型;柠檬酸钠作为单一碳源时,菌株B6的NDFO效能较低。通过响应面BBD法考察初始p H值、初始温度和C/N比对菌株B6的NDFO效能影响,发现初始p H值对于菌株B6的硝酸盐氮去除效能影响较大。对菌株B6的Fe(II)氧化效能而言,初始p H值和C/N比的影响大于初始温度,通过Optimization Numedcal Solution对其NDFO效能进行优化。利用Illumina Hi Seq 2000测序技术,对菌株B6进行了全基因组测序。由RAST annotation server基因注释结果可知:菌株B6的基因组大小为4 592 999 bp,GC含量约65.3%。基因按功能可分为27类:与蛋白质代谢相关的基因252个;与碳水化合物代谢相关的基因236个;与氮代谢相关的基因59个;与铁代谢相关的基因22个。由菌株B6的基因序列注释结果得知:菌株B6在厌氧条件下存在硝酸盐→亚硝酸盐→一氧化氮→一氧化二氮的代谢途径,这一过程与菌株所含有的Nar G、Nar H、NarJ、Nar I、q Nor、NnrS、DNR和Nnru编码基因密切相关;硝酸盐对Fe(II)的氧化过程与Nar亚基的铁硫簇有关,亚硝酸盐对Fe(II)的氧化过程可能与Nir的heme c相关,而一氧化二氮则通过q Nor实现对Fe(II)的氧化。构建以菌株B6为主体的生物脱氮除铁反应器,并考察反应器在启动及稳定运行期间对于氨氮、硝酸盐氮、亚硝酸盐氮、Fe(II)和总铁的去除效能,发现生物脱氮除铁反应器的总氮和总铁的去除率可达到79.70%和75.16%。对于投加了附着菌株B6的载体,反应器缺氧区其硝酸盐氮及Fe(II)去除率则可分别达到46.9%和60.33%,其硝酸盐氮还原速率可达到0.07mg NO-3-N/(L·h)。生物脱氮除铁反应器的微生物群落结构较为稳定多样。缺氧区中DO含量和进水C/N值有利于兼性厌氧微生物生长,菌株B6所属水小杆菌属(Aquabacterium)相对丰度为8.06%,其NDFO代谢效能得以保证。此外与菌株B6功能较为相近的芽孢杆菌属(Bacillus)在缺氧区中也具有优势地位,相对丰度为22.58%,菌株B6不仅可以保持较为优势的地位,也可以强化系统中与其功能相近的菌属的优势地位,因而得以保证反应系统具有较高的氨氮和总氮处理效能。而好氧区中的DO含量和C/N比值则有利于鞘氨醇杆菌属(Sphingobacterium),金黄杆菌属(Chryseobacterium)和芽孢杆菌属(Bacillus)的具有异养硝化、好氧反硝化代谢特性的微生物种群逐步处于优势地位。