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1.1 问题的提出
1.1.1 我国水体富营养化状况
我国是一个湖泊众多的国家，大于1 km2的天然湖泊就有2300多个，湖泊面积为70988 km2，约占全国陆地总面积的0.8％。湖泊总蓄水量为7077多亿m3[1]。调查结果表明：2004年七大水系的412个水质监测断面中，I～III类、Ⅳ～Ⅴ类和劣Ⅴ类水质的断面比例分别为41.8％、30.3％和27.9％，七大水系主要污染指标为氨氮、五日生化需氧量、高锰酸盐指数和石油类[3]。
2004年监测的27个重点湖库中，II类水质的湖库2个，III类水质的湖库5个，Ⅳ类水质的湖库4个，Ⅴ类水质湖库6个，劣Ⅴ类水质湖库10个。其中，“三湖”（分别为太湖、巢湖和滇池）水质因总氮和总磷浓度高而均为劣Ⅴ类。太湖水质与上年比有所改善，但仍处于中度富营养化状态。滇池的草海属于中度富营养化，外海属重度富营养化。巢湖水质属中度富营养化。对于海洋环境，2004年全海域共发现赤潮96次，较上年减少23次。赤潮累计发生面积266630平方公里，较上年增加83.0％，其中，大面积赤潮集中在东海。
目前，水体的富营养化已经成为我国最为突出的环境问题之一。许多大型湖泊，如巢湖、太湖、鄱阳湖、滇池和西湖等，都已经处于富营养或重度富营养化状态。而且一些河流在部分河段也出现了富营养化现象，如黄浦江流域、珠江广州河段等。据统计，我国主要湖泊处于因氮、磷污染而导致富营养化的占统计湖泊的56％[4]。因此，如何治理富营养化的水体，减少其中的营养物质的含量，回复水体的综合功能，已成为当前全球性的环境问题的研究热点[5]。
1.1.2 富营养化水体的微生物治理
针对水体富营养化现象，其水质改善及对策包括三个大的方面：污染源控制对策、水体生态修复对策以及应急除藻对策[6-8]。水体富营养化的关键与核心是生物多样性的破坏，其典型表现就是富营养化水体发生藻类“水华”现象[9]。因此，从保护和恢复生物多样性入手，引入微生物、植物和动物，尤其是关键物种，重建食物链结构，是恢复水体正常的主要手段之一[10-12]。为此经常用到的技术措施包括：以藻控藻，投加细菌微生物[13]、放养鱼类[14]，恢复与构建水生植被[15,16]等。
利用微生物种群的新陈代谢活动对富营养化水体中的有机污染物、氨氮和有机氮等进行去除，尤其是氮污染物的去除，主要需要建立硝化－反硝化体系。而在自然界中，原本存在有专门从事硝化－反硝化过程中的微生物种群。但是由于某些微生物种群，如硝化细菌的代时较长，增殖速率非常低。同时，水体的人为活动的破坏。导致了富营养化水体中硝化－反硝化体系的弱化甚至缺失。故针对富营养化水体，可采用向水体中投加复合微生物菌群，从而增强水体的生物自净化能力，达到控制水体富营养化的目的，该技术被称之为“微生物强化技术”。该技术具有费用低、见效快、无污染和方便安全等特点。
复合微生物种群主要由光合细菌、硝化细菌等组成，再辅之以反硝化细菌。其中，光合细菌通过自身代谢与藻类竞争性争夺营养物质，并可降解、消除藻类代谢分泌于体外的多种物质，削弱藻类的竞争力。一般的光合细菌都有固氮能力，在厌氧光照条件下固氮能力最
强。光合细菌与其他细菌的混合培养，能够提高其他细菌的固氮能力。另外，硝化细菌、反硝化细菌可针对水体中的有机氮和氨氮等进行降解处理。硝化细菌的生长条件是偏碱性的好氧环境。光合细菌在代谢过程中可产生碱性物质，从而为硝化细菌提供了碱性环境。
潘涌璋[17]等应用复合微生物培养液和BBL1菌剂，采用投加菌液的方法对富营养化人工景观湖水进行了净化试验，氨氮的去除率大于90％。杨世平[18]等人利用固定化硝化细菌处理养殖废水，24小时后COD去除率为74.9％，氨氮去除率82.5％。周康群[19]等利用投加氨氧化菌、亚硝酸盐氧化菌、芽孢菌和假单胞菌等于广州市西村水厂的水源中，可降解氨氮40％～94.5％。黄晓东[20]等人利用角野以聚丙烯酰胺凝胶为固定化载体，用包埋法固定硝化细菌，并以7.5％的填充率将固定化细胞透入到内循环的流化床中，对按标准活性污泥法运行、含硝化细菌极少的曝气池活性污泥混合液进行连续处理实验，停留时间仅为2小时，就可达到完全硝化。据Wagner M[21]等报道：某化工厂在采用两步生物增强技术，投加降解硝基苯和对硝基苯的菌以及氨氧化菌后，可将出水中的NH4+-N从120 mg/L降到20 mg/L。
1.2 硝化细菌的分类及研究现状
生物硝化作用（NH3→NO2-→NO3-）在地球氮素循环过程中扮演着极其重要的角色。生物硝化作用主要通过硝化细菌中两个“关键”共生菌群对氮素的迁移和转化作用来实现，这两个共生菌群分别是将氨氮氧化成亚硝酸盐的氨氧化菌（ammonia-oxidizing bacteria ，AOB）和将亚硝酸盐氧化成硝酸盐的亚硝酸盐氧化菌（nitrite-oxidizing bacteria，NOB）[22]。
1.2.1 硝化细菌的分类
根据伯杰氏鉴定手册第8版分类，硝化细菌统归于7个属，分别是硝化杆菌属（Nitrobacter）、硝化刺菌属（Nitrospina）、硝化球菌属（Nitrococcus）、亚硝化单胞菌属（Nitrosomonas）、亚硝化螺菌属（Nitrosospira）、亚硝化球菌属（Nitrosococcus）和亚硝化叶菌属（Nitrosolobus），共14种。伯杰氏细菌鉴定手册第9版中除了收录上述7个属外，另增加有2个属，分别是硝化螺菌属（Nitrospira）和亚硝化弧菌属（Nitrosovibrio），总共20种。这些菌种的分布很广，分布于土壤、湖泊及底泥和海洋等环境中[23]。
基于16S rRNA基因序列同源性的系统发育分析表明，所有的自养型氨氧化菌系统发育较为单一，他们皆属于变形菌纲（Proteobacteria）γ亚纲和β亚纲（图1所示）[24]，其中属于β亚纲的氨氧化菌又可以分为两个类群：亚硝化单胞菌群（Nitrosomonas）和亚硝化螺菌群（Nirosospira）。其中，亚硝化单胞菌群包括欧洲亚硝化单胞菌属（Nitrosomonas europaea）和运动亚硝化球菌（Nitroscoccus mobilis）；亚硝化螺菌属包括所有的属于亚硝化螺菌属（Nitrosospira）、亚硝化弧菌属（Nitrosovibrio）和亚硝化叶菌属（（Nitrosolobus）的菌株，从进化距离上看，这3个属可完全归于1个属。
