摘要： 指出了趋磁性微生物能够在缺氧和厌氧条件下，以硝酸盐作为最终电子受体，产生反硝化反应，进行脱氮处理。趋磁微生物可以利用硫酸盐、硫代硫酸盐为电子受体，进行硫化反应，去除污水中的硫。趋磁微生物在磁场的作用下，可以定向移动。增加污泥的沉淀速度，减少沉淀池的容积及沉淀时间。趋磁微生物处理重金属污水，能够很好地解分选，回收有用的重金属。对趋磁微生物处理污水进行了研究。
关键词：趋磁微生物；污水处理；反硝化反应；硫化反应
作者简介：马 伟（1979—），男，山西长治人，硕士，讲师，主要从事水处理、给排水等方面的研究工作。1 引言
趋磁微生物（magnetotactic bacteda，MTB）是指一类能在外加磁场中作定向运动的革兰氏阴性微生物[1]，其胞内可以产生磁铁矿晶体——磁小体（magnetosome，MS） [2]。
MTB的应用研究已越来越受到人们重视。随着科技的不断进步，趋磁微生物形态学、遗传学、生物学和磁小体的磁学等特性逐步发展，趋磁微生物磁小体形成基因等的研究也不断完善。它丰富了微生物学、生态学、生物化学、古生物学及生物进化等许多学科的研究内容。趋磁微生物中MS结构及合成机理不断研究，趋磁微生物将在建筑、化工、微生物学、医学、计算机科学和航空等领域有较高的使用价值。
趋磁微生物的研究至今已有很多年的历史，但是趋磁微生物在污水处理方面的应用，其去除污染物的机理，反应条件等没有深入的研究。趋磁微生物在污水处理方面的深入研究，尤其是在缺氧和厌氧状态下生长规律和繁殖特点，在好氧状态下能否生长繁殖，以及生长环境，无论是在理论层面还是实际应用都具有深远的意义。
2 趋磁微生物的分类和特征
2.1 趋磁微生物类型
趋磁微生物多种多样，主要包括一些生长在独特的生境的生物类群。通过对许多趋磁微生物的进行研究发现，趋磁微生物从系统进化上和细菌域四个主要特定类群相关，分别属于变形菌门的α变形菌、δ变形菌纲、γ变形菌纲和硝化螺旋菌门。
到目前为止国内外学者己发现的趋磁微生物按形态可分为球菌，弧菌，杆菌，螺旋菌、卵状菌和多细胞聚集等[3]
2.2 趋磁微生物特征
趋磁微生物（magnetotactic bacteria）多为的螺旋状菌，长约数微米，呈革兰氏阴性，有沿着磁力线朝N 极或S 极泳动的趋磁性；磁性细菌体内有10～20颗粒径为50～100nm的磁珠排列其中，各磁珠表面自然覆盖着一层厚度约为4nm的生物膜，生物膜的主要成分为磷脂酰乙醇胺[4]。
3 趋磁微生物处理污水的机理
趋磁微生物中的磁小体，来自活体细胞，无毒无抑制作用，因磁小体颗粒小而且分布均匀，具有较大的比表面积，且磁小体外有生物膜包被，颗粒间不聚集，也没有细胞毒性，因而将在污水处理过程中有潜在的不可估量的应用价值。
3.1 趋磁微生物是革兰氏阴性菌
革兰氏阴性菌脂类含量高，具有胞质膜结构。外表面有生物膜，含有脂多糖、核糖等膜物质，选择透过性。
（1）由于膜的存在，增大了趋磁微生物的比表面积，可以大量的吸附污水中的污染物。由于膜具有选择透过性，可以使某些特定的污染物被趋磁微生物分解。
（2）生物膜的存在，可以使污水中的污泥尽快形成较稳定的絮体结构，沉淀物质性质稳定，不容易产生污泥膨胀。
3.2 趋磁微生物是依靠鞭毛运动
趋磁微生物内部含有大量的磁小体，依靠鞭毛运动。鞭毛运动可以在不需要搅动的情况下，趋磁微生物可以根据其自身的好氧、兼性好氧、厌氧等特性，自由摄取污染物。避免搅动过程将其带入不适宜的环境，破坏其生境。磁小体使其具有趋磁性，在外界磁场一定时，通过鞭毛的运动和磁小体的双重作用，向某个特定的方向移动，利用这一特性，可以提高活性污泥的沉降效率。
传统SBR工艺通过增加泥水混合液沉淀时间来提高泥水分离效率。加入磁性材料后，不但使沉淀时间缩短了45min，且使COD去除率提高了9%。进入下个水处理周期时，磁性污泥上的微生物能很快恢复活性，可省却闲置时间约2.0～3.0h[5]。
3.3 趋磁微生物脱氮机理
趋磁微生物是一种化能异养菌，这一点可以通过实验证实或者通过RubisCO基因（固碳作用中的关键酶的存在来证实[6] 。
趋磁微生物寄生在水中或水底的污泥中，只在水或沉积物的某一个深度繁殖，高于这个位置，氧气过多会令它们无法承受；低于这个位置，氧气又过于稀少。水深在7～10m时，细菌浓度为2.2×105/cm3；在7～3m时，浓度为6.5×105/cm3；水深在≤10m时，浓度≤0.6×105/cm3[7]。
趋磁微生物主要存在于生境的有缺氧和无氧区域，趋磁微生物对氧气敏感，目前研究的趋磁微生物都是缺氧厌氧微生物。
3.3.1 趋磁微生物同化作用
污水生物处理过程中，在微好氧的条件下，一部分氮（氨氮或有机氮）同化为微生物生长所需要的能力或细胞的组成部分。
3.3.2 趋磁微生物硝化作用
利用氨为唯一氮源，以分子为电子受体，使氮从负三价（NH+4）转变为正三价（NO-2）和正五价（NO-3）。这一反应是在需氧条件下进行的，但在厌氧条件下不生长。趋磁微生物的硝化作用是在微好氧的环境中进行的，如果环境中的氧气超过一定的浓度，那么趋磁微生物就会停滞生长甚至死亡。
3.3.3 趋磁微生物反硝化作用
趋磁微生物可以趋磁微生物中存在反硝化酶，在缺氧或厌氧条件下，利用硝酸盐作为最终电子受体，在反硝化酶的作用下，进行反硝化反应。在不存在游离氧的条件下，将亚硝酸氮和硝酸氮还原成N2、N2O、NO。
趋磁螺菌可以利用少量的O2作为电子受体，也可以利用硝酸盐作为最终电子受体，可以还原硝酸盐产生一氧化二氮和氮气。在无氧的时候可以利用硝酸盐生长；在利用硝酸盐生长的时候也需要一些氧气，细胞在进行硝化反应的时候消耗氧气。
氧气具体的作用，还有待于进一步研究，氧分子可能在反硝化反应过程中平衡氧化还原电位。
3.3.4 趋磁微生物有固氮作用
趋磁微生物有固氮酶的活性，可以固定气体中的氮气。
3.4 趋磁微生物去除COD机理
趋磁微生物可以在常温下生长，最适生长pH值为6～7，没有毒性。它可以和其他的微生物共同生长，在厌氧或兼性厌氧的条件下，降解大分子的有机物，合成自身的细胞物质。通过排泥的方式，使有机物得以从污水中去除出去。
3.5 趋磁微生物除硫机理
某些趋磁微生物利用硫酸盐、硫代硫酸盐及延胡索酸盐作为呼吸链末端电子受体[8]，不能以亚硫酸盐或氧气作为电子受体。在硫代硫酸盐或延胡索酸盐存在的条件下，细胞生成细胞色素。生长在硫酸盐条件下的细胞，生成一种在许多硫酸盐还原细菌中普遍存在的异化的亚硫酸盐还原酶，这种还原酶可以将污水中的硫酸盐还原。硫酸盐及硫代硫酸盐被还原成H2S或S。
3.6 趋磁微生物除重金属机理
在污水处理过程中加入絮凝剂及趋磁微生物，由于趋磁微生物具有胞质膜结构，外表面有生物膜，含有脂多糖、核糖等膜物质，污水中的重金属物质会与趋磁微生物想结合，利用趋磁微生物向特定磁场移动的特性，清除污水中的重金属污染物质。利用趋磁微生物较大的比表面积，使放射性核物质与趋磁微生物相粘合，通过污泥排放等措施，使污水中的放射性物质及其他的污染物从污水中去除。
趋磁微生物体内含有的磁小体，这些磁小体是对重金属污染物有着很强吸附性，在一定的外界磁场作用下，根据对重金属回收的要求，分别将其去除。不需要其他特殊的药品，不需要额外的动力，只要让废水流过某种磁场，就可以将重金属去除。某些重金属元素如铁、镍等，能被趋磁性微生物吸收，合成自身的细胞物质。
南安普敦大学的Bahaj等，分别选取Fe、Mg、Mn、Al、Cr等对趋磁微生物进行了研究，重金属离子不同，趋磁微生物的活性影响也不相同。研究发现[9]，趋磁微生物对上述离子的去除效率很高，在多数情况下能将质量浓度由（10～100）×10-6mg/L降到（10～100）×10-9mg/L，远远低于国际上的排放标准。
重金属较经济的从污水中的分离，一直是很难克服的问题。在趋磁微生物的作用下，提取重金属，在资源匮乏的现实社会，具有很高的经济意义、社会意义和环境意义。随着社会节能减排意识的增强，该方法的应用前景非常光明。
4 结语
趋磁微生物在污水处理中应用前景广泛。趋磁性微生物能够在缺氧和厌氧条件下，以硝酸盐作为最终电子受体，进行反硝化反应，进行脱氮处理；趋磁微生物可以利用硫酸盐、硫代硫酸盐为电子受体，进行硫化反应。去除污水中的硫；趋磁微生物在磁场的作用下，可以定向移动。增加污泥的沉淀速度，减少沉淀池的容积及沉淀时间；趋磁微生物处理重金属污水，能够很好地分选，回收有用的重金属。
参考文献：[1]Blakemore R P.Magnetotactic bacteria[J].Science，1975（190）：377～379.
[2] Blakemore R P，Short KA，Bazylinski D A，et a1.Microaerobic conditions are required for magnetite formation within aquaspirillum magnetotacticum[J].Geomicrobiol J，1985（4）：53～71.
[3] Schuler D，Spring S，Bazylinski D A.Improved technique for the isolation of magnetotactic spirilla from a freshwater sediment and their phylogenetic characterization[J].Systematic and Applied Microbiology，1999（22）：466～471.
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[9] 刘 珺，周培国.趋磁细菌应用于重金属废水处理的研究进展[J].环境科技，2008，21（6）：60～63.
Research on Sewage Treatment by Magnetotactic Microorganism
Ma Wei
（Sichuan College of Architectural Technology，Deyang 618000，China）
Abstract：The application research of magnetotactic microorganism has been paid more and more attention. Although the study of magnetotactic microorganism has a history of nearly 30 years，there"s no in-depth study on its function in sewage treatment，the mechanism of removing pollutants and reaction conditions. Magnetotactic microorganism can use nitrate as the terminal electron acceptor under micro aerobic and anaerobic conditions for denitrification and nitrogen removal. Magnetotactic microorganism can use sulfate and thiosulfate as electron acceptor for sulfuration reaction and the removal of sulfur in polluted water. Magnetotactic microorganism，under the effect of magnetic field，can move directionally，increase precipitation of pollutants and reduce the precipitation volume and time. The magnetotactic microorganism can deal with the sewage with heavy metal which can be decomposed effectively and then the useful part will be recycled.
Key words：magnetotactic microorganism；sewage treatment；denitrification reaction；sulfuration reaction