分离嗜氧反硝化细菌Stutzerimonas stutzeri及其在焦化废水处理中的应用

为什么处理厂区废水很重要

炼钢和其他重工业使用专门的炉子将煤转化为焦炭，这是一种维持高炉运行的燃料。在这一过程中，这些工厂会产生含有大量化学物质的黑色废水。该废水富含氮化合物和顽固有机污染物，可能引发有毒藻华、中毒鱼类并污染饮用水。本文所述的研究探讨了一种从焦化厂废水中分离出的天然细菌，如何被用作一种生物工具，从这一难处理的废物流中去除有害的氮和有机污染物。

一种难缠的废水类型

焦化废水是最脏的工业废水之一。它含有多种形态的氮——如硝酸盐、亚硝酸盐和氨——以及复杂的有机化学物质，其中有些具有致癌性。未经处理排放时，这些氮会促使藻类和水生植物爆发性生长，导致溶解氧骤降，从而使鱼类和其他野生动物窒息死亡。对人类而言，过量硝酸盐可损害婴儿血液携氧能力并促成与癌症相关的化合物。由于盐分、氮和有毒有机物的混合，焦化废水比普通城市污水更难处理，常使常规处理设施面临挑战。

在废水中寻找“帮手”微生物

研究人员从焦化厂的低氧区域采集水样，并在有利于脱硝的条件下培养其中的微生物。经过一系列稀释与纯化步骤后，他们分离出若干菌株，并通过16S rRNA基因测序鉴定出最有前景的一个。该菌株被命名为Stutzerimonas stutzeri KA1，属于已知能够将硝酸盐转化为惰性氮气的菌群。随后团队在受控实验培养基中比较了不同菌株降低硝酸盐的能力。KA1在温暖、轻度搅拌的条件下能快速降低硝酸盐浓度，表现突出，因而成为工业应用的优选候选者。

检验这种细菌能承受的条件

为评估KA1在真实处理系统中的表现，科学家们逐一改变单个因素：碳源类型、碳氮比、溶解氧水平以及酸碱度（pH）。他们发现简单且易被利用的碳源效果最好，乙酸钠使KA1在约40小时内几乎完全去除硝酸盐。中等的碳氮比带来最快的去除速度；碳不足会使细菌“饿死”，而过量碳则无明显额外收益。出人意料的是，KA1在从无氧到充分曝气的宽广溶解氧范围内都能继续发挥脱硝作用——这表明即便在气曝的反应池中它也能工作。它在pH 6到10间几乎完全去除硝酸盐，这一宽阔范围覆盖了许多实际废水的情况。这些特性显示出这是一种耐受性强的微生物，能在变化的条件下保持高效。

从烧瓶到运行中的反应器

团队随后将试验从小烧瓶扩展到模拟真实工厂循环的序批式反应器。所有反应器都投加了活性污泥——常规处理使用的微生物混合物，但只有两个反应器被“生物增效”加入了KA1。经过多次运行周期，所有反应器一开始都能去除部分硝酸盐，说明本底微生物已有活性。然而随着时间推移，未增效的反应器性能下降，而含KA1的反应器则持续改善并最终实现明显更高的硝酸盐去除率，即便在常常抑制其他细菌的高盐条件下亦然。研究还追踪了化学需氧量（COD），这是有机污染的总体量度，结果显示KA1处理的系统比对照更快分解这些有机物，使COD更快趋近于零。

对更清洁工业的意义

对非专业读者而言，核心信息是研究人员发现并验证了一种能在其目标废水恶劣环境中茁壮生长的耐用“净化”细菌。Stutzerimonas stutzeri KA1能在现实的氧气、盐度和pH范围内几乎完全去除硝酸盐，同时还助力去除其他有机污染物。加入到常规处理系统后，它可以在现有微生物群体之外进一步提高氮和COD的去除效率。由于其高效且耐受恶劣条件，KA1有望使钢铁和焦化企业更经济、更容易地达标排放，从而减轻氮驱动的水体污染负担，保护下游河流、湖泊和沿海生态系统。

引用: Naseer, K., Ashfaq, K., Shamim, A. et al. Isolation of aerobic denitrifying bacteria Stutzerimonas stutzeri and its application in coking wastewater treatment. Sci Rep 16, 8717 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-43338-6

关键词: 焦化废水, 好氧反硝化, Stutzerimonas stutzeri, 生物增效, 氮去除