1. 引言
随着社会经济的不断发展，环境的承载压力逐渐加大，一些由于生产生活产生的臭气，不仅对环境造成极大污染，还严重影响人们的身体健康。在不同臭气源中，垃圾填埋场和养殖场禽舍内的臭气是国内外研究的热点。生活垃圾与粪便中含脂肪和蛋白质，在分解过程中会产生多种恶臭物质，主要包含氨、硫化氢、甲基硫、甲硫醇、二硫甲基、三甲胺、乙醛、苯乙烯等 [1] [2] 。恶臭气体含有特征发臭基团，按组成可分为5类：① 含硫化合物，如硫化氢、二氧化硫等；② 含氮化合物如氨气、吲哚等；③ 卤素及其衍生物，如氯气、卤代烃等；④ 烃类，如烷烃、烯烃、芳香烃等；⑤ 含氧有机化合物，如醇、酚、有机酸等。大多数恶臭气体经气相色谱检测发现，大都包括含硫化合物、含氮化合物及含氧化合物，其他种类的物质很少。在考虑脱臭措施时，一般以氨气和硫化氢为主要对象，其它物质所造成的臭味不大。
氨气是一种具有刺激性气味的无色气体，可使脂肪组织发生皂化反应，还可能导致蛋白质变性，从而破坏生物膜结构。长时间接触低浓度的氨气可造成慢性鼻炎、咽炎、喉痛、声音嘶哑等症状。高浓度氨能灼烧眼睛、皮肤、呼吸器官的黏膜。氨气极易溶于水，易与血红蛋白结合，影响氧气的运输，短期内大量吸入会导致呼吸困难、胸闷，若浓度过高甚至还会影响神经系统，造成心脏停搏 [3] 。另外，氨气能影响禽类的生长性能，并引起呼吸道疾病、免疫力下降等症状 [4] 。除此之外，当氨气排放到空气中时，会与硫化物和氮化物形成PM2.5颗粒，造成严重的空气污染 [5] 。
目前常见的除臭(氨气)方法包括：化学洗涤法、物理吸附法、生物法、植物提取液吸收法、离子氧化法、光催化氧化法和热力氧化法等等，由于微生物除臭法具有除臭效率高、所需设备简单、易操作、无二次污染、价格低廉、管理维护方便等优点 [6] [7] [8] ，因此，微生物除臭技术得到了迅速的发展和广泛的应用，成为了目前最受欢迎的恶臭污染控制技术之一。随着人们对环境质量要求的提高，臭气污染的治理也变得越来越迫切。因此，对几种新型高效微生物除臭剂对氨气去除效果的比较研究，并探讨其去除氨气的机制，以期为臭气污染的治理提供参考依据。
2. 材料与方法
2.1. 实验材料
用于检测氨气去除效果的实验装置如图1所示，其中：正方体密封装置的尺寸(内径)为长 × 宽 × 高= 500 mm × 500 mm × 500 mm，氨气标准气体(10 L容积，外径 × 高度 = 165 mm × 800 mm，空瓶重16 kg，工作压力15 MPa)于青岛安泰科气体有限公司购得，氨气检测仪(美国ESC，Z-800XP)购买自上海迈哲电子科技有限公司，高压喷雾装置以及测试样品(微生物除臭剂hr1，微生物除臭剂hr2，微生物除臭剂hr3)由湖南和润环境工程有限责任公司提供；用于装置换气的抽气泵(台湾ATEST，ATS-BC)购自上海力辰邦西仪器科技有限公司；用于制备去离子水的实验室超纯水机(上海Thelab，Dura Pro)购自上海和泰仪器有限公司。用于除臭机制研究实验的高通量测序仪(美国Illumina，HiSeq2500)购自上海普迪生物技术有限公司。
Figure 1. Experimental setup of ammonia removal effect test
图1. 氨气去除效果测试实验装置图
2.2. 实验方法
2.2.1. 氨气去除效果测试实验
1) 样品处理
取微生物除臭剂hr1，微生物除臭剂hr2，微生物除臭剂hr3原液各5 mL，用去离子水稀释至500 mL，保存待用。
2) 效果测试
首先对正方体密封装置进行检测，确保进气阀门和换气进出口阀门处于关闭状态；然后打开氨气检测仪，使其处于工作(连续读数)状态。打开氨气标准气体钢瓶阀门，缓慢开启正方体密封装置进气阀门，调节流量至0.12 L/min，5 s后关闭正方体密封装置进气阀门。借助抽气泵，通过正方体密封装置的换气进出口阀门，调节正方体密封装置内的氨气初始浓度为60 ppm。同时，将稀释好的样品(500 mL)加入高压喷雾装置的进样池。待氨气检测仪所测氨气初始浓度在60 ppm处保持30 s后，开启高压喷雾装置，并开始计时，过程中记录氨气检测仪的数值变化，氨气检测仪的读数为零或30 s内读数不发生变化时，实验结束。
2.2.2. 除臭机理研究
对微生物除臭剂hr1，微生物除臭剂hr2，微生物除臭剂hr3用HiSeq2500高通量测序仪进行测序。
1) 对原始测序序列进行过滤、双端拼接，得到优化序列。
2) 将优化序列进行聚类，划分OTU (Operational Taxonomic Units)聚类并根据OTU的序列组成得到其物种分类。
3) 基于OTU分析结果，对样品在各个分类水平上进行分类学分析，获得各样品在门、纲、目、科、属、种分类学水平上的群落结构图、物种聚类热图、属分类学水平系统进化发生树及分类学树状图。
4) 通过Alpha多样性分析研究单个样品内部的物种多样性，统计了各样品在97%相似度水平下的Ace、Chao1、Shannon及Simpson指数。
3. 结果与讨论
3.1. 三种样品对氨气的去除效果与分析
为考察所测样品对氨气的去除效果及其差异，对三种样品(微生物除臭剂hr1，微生物除臭剂hr2，微生物除臭剂hr3)的氨气去除性能进行了测定，结果如图2所示(详细参数见表1)。
Figure 2. Removal efficiency of ammonia
图2. 氨气的去除效果
Table 1. The comparison of ammonia removal rates of three deodorants
表1. 三种微生物除臭剂对氨气去除速率的比较
可以看到，所测试的三种样品对正方体密封装置内氨气处理一段时间后，均使氨气浓度降为0 ppm，这表明三种微生物除臭剂对于氨气都有去除效果。然而，可以发现的是，三种样品对于氨气的去除效率是不同的。在除臭剂喷洒7 min时，hr3微生物除臭剂已将氨气处理至0 ppm，而hr1、hr2微生物除臭剂还未将氨气去除完全，因此，hr1微生物除臭剂的氨气去除性能最好，其氨气去除的平均速率为8.571 ppm/min。通过比较，按照氨气去除性能的优劣进行排序，三种微生物除臭剂的排序如下：hr3 > hr2 > hr1。三种除臭剂氨气去除性能差异，可能是由于各自所含成分的不同导致的，因此，需要对三种微生物除臭剂的成分进行分析，以探究其氨气去除效果的机制。
3.2. 氨气去除效果机制的研究
为探明三种微生物除臭剂对氨气的去除效果机制，对其进行了高通量测序分析。三种微生物除臭剂的物种分布图，如图3所示，hr1以Proteobacteria (变形菌门)为主，含少量Firmicutes (厚壁菌门)和Actinobacteria (放线菌门)，含极少量的Fusobacteria (梭杆菌门)、Bacteroidetes (拟杆菌门)、Cyanobacteria (蓝藻菌门)。hr2以厚壁菌门微生物为主，约占80%，Proteobacteria约占20%。而hr3中厚壁菌门微生物所占比例更高，达95%以上，含少量的Proteobacteria。由3.1可知，hr2、hr3微生物除臭剂的氨气去除效率远高于hr1，且二者的氨气去除效率较为相近，这可能是因为二者的成分均以厚壁菌门微生物为主。hr3中厚壁菌门微生物所占比例更高的发现更进一步解释了hr3微生物除臭剂的氨气去除效率高于hr2的原因。因此，可以这样认为，在这三个样品中，导致氨气去除性能更为优越的原因在于厚壁菌门微生物在其成分中所占的比例的多寡。
三种微生物除臭剂的聚类树柱状关系如图4所示。图左为样品聚类树(同UPGMA)：基于Beta多样性分析得到的四种距离矩阵，通过Python语言工具对样品进行层次聚类，用以判断各样品间物种组成的相似性，样品越靠近，枝长越短，说明两个样品的物种组成越相似。由图4可知，hr1和hr3的物种组成比较相似。图4的右则为各样品属水平的丰度柱状图，用以判断各样品间物种丰度的相似性，根据各色块所占比例比较各样品的物种多样性高低、丰度相似性以及优势物种。hr1以Pseudomonas (假单胞菌)为主，含少量的Massilia (马赛菌属)、Acinetobacter (不动杆菌属)、Stenotrophomonas (单胞菌属)、Rhodococcus (红球菌属)及其他菌属；hr2以Lactobacillus (乳杆菌属)为主，含少量红球菌属和其他菌属；hr3以乳杆菌属为主，含少量的不动杆菌属。因此，很显然，虽然hr1和hr3的物种组成比较相似，但这并不是其氨气去除性能的决定性因素；其物种组成中所含乳杆菌属的占比才是关键因素。
Figure 4. Cluster tree histogram combination chart
图4. 聚类树柱状图组合图
三种微生物除臭剂的样品丰度如图5所示。Alpha多样性反映的是单个样品物种丰度及物种多样性，有多种衡量指标：Chao1、Ace、Shannon、Simpson。Chao1和Ace指数衡量物种丰度即物种数量的多少。Shannon和Simpson指数用于衡量物种多样性，受样品群落中物种丰度和物种均匀度的影响。相同物种丰度的情况下，群落中各物种具有越大的均匀度，则认为群落具有越大的多样性，Shannon指数值越大，Simpson指数值越小，说明样品的物种多样性越高 [9] 。另外还统计了OTU覆盖率Coverage，其数值越高，则样本中物种被测出的概率越高，而没有被测出的概率越低。该指数反映本次测序结果是否代表了样本中微生物的真实情况。由表2可得，在三种除臭剂中，hr1的物种数量最多，物种多样性最高；hr2的物种数量最少，物种多样性最低；hr3居中。
Table 2. Alpha diversity index statistics
表2. Alpha多样性指数统计
注：Sample ID为样品名称；OTU为OTU的个数；Chao1、Ace、Shannon、Simpson分别表示各个指数；Coverage是样本文库的覆盖率。
本实验比较了三种新型生物除臭剂对氨气的去除效果，发现他们对氨气去除的效率有所不同，由高到低依次为hr3、hr2、hr1。通过高通量测序技术发现3种除臭剂所含菌群丰度及多样性均不同，hr1中物种多样性和丰度均较高，而除臭效率较高的hr2中物种多样性和丰度较低，因此，物种的多样性和丰度并不是决定除臭效率的单一因素。另外，需要适宜的湿度、pH值、氧气含量、温度和营养成分等，才能保证微生物的高活性状态 [10] ，才能保证除臭效率。hr3制剂中乳杆菌属比例较高，而hr1制剂中乳杆菌属含量较低，由此推测三种制剂去除氨气速率不同的原因可能是菌群种类的比例不同，乳杆菌属含量越高，对氨气的去除效率越高。曾苏等 [11] 的研究也证明了这一点，他们发现嗜酸乳杆菌对氨气的去除效率最高，达到了67.68%、乳酸片球菌属为62.25%、巨大芽胞杆菌为51.78%、粪产碱杆菌为56.25%，而由它们组成的复配组合达到的对氨气的最大去除率为83.56%。也有研究发现，鼠李糖乳杆菌和唾液乳杆菌能降低氨浓度、盲肠内pH 值，提高盲肠乳酸菌浓度，可能与菌能分泌有机酸(乳酸)和细菌素等有关 [12] 。由于在一个稳定的环境中，各种微生物是以种群的形式生存的，相互之间存在非常复杂的协同、相加或拮抗等关系。因此，调整合适的菌群比例对提高氨气的去除效率有着至关重要的作用。
4. 结论
1) 和润公司生产的三种除臭剂均能高效去除氨气，以hr3去除氨气的效率最高。
2) hr3去除氨气效率较高的可能原因是乳杆菌属含量较高。
致谢
本论文从选题到完成，都是在杨飞老师的指导下完成的。在此，向杨老师表示崇高的敬意和由衷的感谢！本论文的顺利完成，离不开湖南和润环境工程有限责任公司提供的技术实验平台，在此表示深深的感谢！
基金项目
湖南省重点研发计划(项目编号：2018SK20111)。
NOTES
*通讯作者。
*通讯作者。