蛋白质转化：水处理微生物学进展

蛋白质是生物细胞的主要组成部分，是由许多氨基酸分子通过肽键连接形成的生物大分子。氨基酸可用通式RCHNH2COOH表示（R代表不同的基团）。构成蛋白质的天然氨基酸有20多种，在不同的蛋白质中，氨基酸的排列顺序不同。蛋白质的分子量一般高达几万到几百万。蛋白质除含有C、H、O和N四种元素外，有时还含有S等，其中氮的含量平均约为16%。

蛋白质需要经过酶的水解作用形成氨基酸后，才能被微生物吸收和利用。蛋白质的水解作用过程是：蛋白质→→胨→肽→氨基酸。能够水解蛋白质的酶有胃蛋白酶、胰蛋白酶、弹性蛋白酶等。

微生物细胞内的氨基酸，一部分可直接用于合成菌体中新的蛋白质，另一部分则被分解为含氮废物排出体外。氨基酸的分解代谢主要通过脱氨基作用完成。脱氨基作用使氨基酸分解为NH3和一种不含氮的有机化合物，不含氮的有机化合物可以进一步分解或合成细胞物质，NH3则可作为微生物的氮素来源。

7.4.1.1　脱氨基作用

有机氮化合物在氨化微生物的作用下产生NH3，故又称为氨化作用。脱氨基作用能在有氧条件下进行，也能在缺氧条件下进行。例如：

（1）在有氧条件下

（2）在缺氧条件下

从上述两式中可以看出，不论在有氧还是在缺氧情况下，氨基酸的分解结果都产生NH3和一种不含氮的有机物，如RCOOH、RCH2COOH。这些不含氮有机物可再按照上节所讨论的不含氮有机物质的转化规律，或者参与合成作用变成体细胞的碳水化合物、蛋白质或脂类物质的一部分，NH3则能作为微生物所需氮的来源。这种由有机氮化物转化为氨态氮的过程，叫做氮化作用。

参与氨化作用的细菌称为氨化细菌。在自然界中，它们的种类很多，主要有好氧性的荧光假单胞菌及灵杆菌、兼性的变形杆菌和厌氧的腐败梭菌等。除细菌外，有些真菌在有氧条件下也能分解蛋白质，但产生NH3的能力则很不一致，有的比较活跃，有的比较缓慢，不过大部分真菌在分解蛋白质过程中只能产生少量的NH3。

氨基酸的分解过程，除脱氨基产生NH3外，含硫的氨基酸同时还可以脱去硫，产生有臭气的H2S。如果通气不畅，还会有一些硫醇等产生。但是这些化合物的大部分仅在缺氧的条件下才会累积到一定程度而影响环境卫生，在有充分氧气存在时，一般都会被氧化成无臭的物质。这正说明了活性污泥法曝气池中的废水虽然分解得比较快，但并无臭气发生的原因。

7.4.1.2　硝化作用

氨基酸脱下的NH3，在有氧的条件下，经亚硝酸细菌和硝酸细菌转化为硝酸，称为硝化作用。在此氧化过程中，硝化细菌获得了生活所需的能量。由NH3转化为硝酸分两步进行：

这种由NH3氧化成硝酸的过程称为硝化作用。硝化作用是由两类不同的硝化细菌分工进行的。亚硝酸细菌负责氧化NH3为亚硝酸，硝酸细菌负责氧化亚硝酸为硝酸。这两类细菌都是革兰氏染色阴性，不生芽孢的球状或短杆状的细菌，有强烈的好氧性，适宜于中性或碱性环境，不能在强酸性条件下生长，生活时不需要有机养料，是自养菌，亚硝酸细菌具有单生鞭毛，硝酸细菌则不生有鞭毛。硝化细菌对有毒物质十分敏感。少量的铁质能促进其生长；但如果是锰质，即使量很少，对它们也会有害。

硝化作用的进行，除必须有NH3和O2的存在外，还要有细菌生活所需营养的磷素和某些碱性物质以中和所产生的亚硝酸和硝酸。(www.xing528.com)

与硝化作用相类似，硫化氢氧化成硫磺和硫酸的过程称为硫化作用。硫化作用的进行也需要氧气。参与硫化作用的细菌主要是硫磺细菌和硫化细菌。它们也都是自养菌，在有氧的条件下能通过代谢作用产生硫酸。

根据上面的讨论可以看出，在有氧的情况下，蛋白质最后被氧化成CO2、H2O、HNO3、H2SO4（如蛋白质中含有硫的话）等产物。所产生的酸与水中的碱性物质发生反应可形成相应的盐。

7.4.1.3　反硝化作用

硝酸盐在缺氧的情况下可被厌氧菌作用而还原成亚硝酸盐和氮气等，这一过程称为反硝化。土壤、水体和污水生物处理构筑物中的硝酸盐在缺氧的条件下，总会发生反硝化作用。

参与反硝化作用的细菌叫反硝化细菌。它的种类很多，多数是异养型或兼性的，如反硝化杆菌、荧光极毛杆菌等。它们在厌氧条件下利用硝酸中的氧来氧化有机物，并获得生活所需的能量，如：

所以，一般说，反硝化作用是在硝酸盐与有机物同时存在，而氧气又不足（溶解氧低于0.5mg/L）的情况下发生的。

但反硝化细菌也有自养型的，如反硝化硫杆菌可以利用硝酸盐中的氧将硫氧化成硫酸，并以从中获得的能量来同化二氧化碳。如：

反硝化作用在废水处理过程中也有着重要的意义。在活性污泥法曝气池的出水中含有硝酸盐。如果硝酸盐含量高，则在二次沉淀池的污泥中可以由于反硝化作用产生大量N2，气体的上升将促使污泥杂质浮起而影响沉淀效果。此外，还应注意，生物处理的二次沉淀池出水中亚硝酸盐的测定并不能正确反映废水硝化的程度，因为所测得的亚硝酸盐可能是通过反硝化而形成的。

在缺氧情况下，也可能发生反硫化作用，这是硫酸盐经硫酸盐还原菌的作用形成H2S的过程。关于硫化和反硫化作用将于本章第五节内容中再讨论。

7.4.1.4　固氮作用

在固氮微生物的固氮酶催化作用下，把分子氮转化为NH3，进而合成有机氮化合物，这一作用称为固氮作用。各类固氮微生物进行的反应式基本相同。

固氮微生物有根瘤菌、圆褐固氮菌、黄色固氮菌等，它们都是好氧菌，可利用各种糖、醇、有机酸为碳源，分子氮为氮源。另外，光合细菌的某些属在光照下厌氧生活时也能固氮。