厌氧氨氧化菌

厌氧氨氧化菌•厌氧氨氧化细菌(anammox)可以将亚硝酸盐和氨氮转化为氮气从而缩短氨氮转化的过程，它已经成为新型生物污水脱氮技术研究的热点之一。当前，有关厌氧氨氧化菌特有的生理结构特点、种群分类及其功能酶等方面的研究取得了一定突破，为实现其工业应用奠定了良好的理论基础;同时分子生物学技术在厌氧氨氧化细菌种群分布、群落多样性及其共生关系等方面的应用也大大促进了污水生物脱氮技术的革新和进步。•总结厌氧氨氧化菌主要的生理生化特点、细胞结构特点、脱氮机理、污水处理体系中的应用以及分子生物学方法对污水处理体系中厌氧氨氧化菌种群分析的研究现状，并指出未来anammox细菌在生物特性及在污水脱氮处理实际应用的研究中的热点问题。概述•在厌氧条件下，ANAMMOX细菌以羟胺和肼为中间产物，将亚硝酸盐和氨氮转化为氮气。随着多种生物化学方法研究的深入，研究者发现ANAMMOX细菌广泛生存于包括海洋水体、海洋沉积物、厌氧水体、淡水湖泊以及温泉等在内的自然环境中。在海洋环境中，约50%的氮转化是由于ANAMMOX细菌的厌氧氨氧化作用产生的，这一重要发现改变了人们对于海洋环境中氮循环的传统观点:海洋环境中氮气的产生只依赖于反硝化作用。在多种人工构建的污水生物处理体系中，ANAMMOX细菌也在发挥着重要作用。基于ANAMMOX细菌的氨氮转化特点研制开发的ANAMMOX、SHARON-ANAMMOX、CANON等新兴的生物脱氮技术为生物脱氮领域带来了技术革新，使人们能够逐步地摆脱传统脱氮工艺高成本、高消耗的束缚，实现真正意义上的节能减排。厌氧氨氧化菌的生理生化特点•生理结构特点：Anammox细菌是一类生长缓慢的微生物，世代周期约为10—12d;菌体呈球菌状，直径不足1μm;对光和氧气等较敏感。当前，还未获得anammox细菌的纯培养菌株，在对anammox细菌进行富集培养时，会发现anammox污泥颜色由棕色变为深红色Anammox细菌的细胞结构以及氧化还原过程都呈现出与其它细菌不同的特点:•Anammox细胞中的脂质由酯-脂肪酸和醚-脂肪酸两类组成，这些膜脂质呈环形阶梯状，并成为独特的梯形膜脂质，目前只在anammox细菌中发现有梯形膜脂质的存在。•Anammox细菌具有独特的细胞结构—厌氧氨氧化体，作为厌氧氨氧化作用以及能量代谢的场所，膜上附着有反应所需的酶。厌氧氨氧化体的膜是多种梯形膜脂质结构，其结构硬度和形状决定了细胞生物膜特殊的密度和非渗透性，可以有效地减少中间产物肼和质子的流失以避免能量损失，同时阻止毒性的中间产物肼扩散到细胞质中。分子生物学鉴定•16SrRNA基因分析认为anammox细菌是浮酶状菌门(PhylumPlanctomycetales)分支进化而来的一类自养群体。至今，已报道的anammox细菌分属于5个可能的属，分别是:Candidutus“Brocadia”、Candidatus“Kuenenia”、Candidatus“Scalindua”、Candidatus“Anammoxoglobus”和Candidatus“Jettenia”。利用分子生物学方法对不同生态环境中厌氧氨氧化细菌进行观察和鉴定，发现其多样性有3个特点：•(1)所有已发现的anammox细菌的16SrRNA基因序列与浮酶状菌(Planctomycetes)的分支的16SrRNA基因序列有很高的相似性;•(2)anammox细菌广泛存在于自然和人工环境中。在深海厌氧污泥、海洋紊流处污泥、富含有机质的淡水污泥、水生附着生物为主的好氧污泥、古冻土冻结污泥、陆面多种水体、多种污水处理系统以及热带、温带、寒带的厌氧海洋环境中均发现有anammox细菌的存在。利用分子生物学方法对不同生态环境中厌氧氨氧化细菌进行观察和鉴定，发现其多样性有3个特点：•(3)不同的生态环境中，anammox细菌会呈现不同的分布和多样性。存在这样的可能:一种菌种倾向于一种单一的生存环境。当前基于anammox细菌16SrRNA基因的种群多样性分析发现:在厌氧海洋环境中只发现了类Candidutus“Scalindua”细菌的存在；而Candidutus“Brocadia”、Candidatus“Kuenenia”、Candidatus“Anammoxoglobus”倾向于在厌氧淡水等水体中生存。厌氧氨氧化作用及其分子作用机理•厌氧氨氧化反应发生在厌氧氨氧化体和细胞质内。在细胞质中，4个电子与5个质子在亚硝酸盐还原酶作用下将亚硝酸盐还原生成羟胺，也有研究发现anammox基因中存在有编码亚硝酸盐—NO的氧化还原酶，说明亚硝酸盐还原酶可能将亚硝酸盐还原为NO作为anammox细菌的中间产物。然后，氨氮和羟胺/NO在肼水解酶作用下生成中间产物肼，肼在位于厌氧氨氧化体内膜上的肼氧化酶的作用下转化为一分子N2、4个质子和4个电子。整个厌氧氨氧化反应通过消耗细胞质中的质子，同时在厌氧氨氧化体中不断产生质子，在两者之间建立质子梯度以及电势梯度，并在厌氧氨氧化体膜上附着的三磷酸腺苷合成酶作用下产生ATP为细菌生长提供能量。细胞主要功能酶•亚硝酸盐还原酶(nitritereductase，NIR)•肼还原酶/肼水解酶(hydrazinehydrolase，HH)•肼氧化酶(hydrazineoxidizingenzyme，HZO)在污水处理工艺中的应用•传统的污水处理工艺采用硝化－反硝化作用，由于利用的微生物和运行条件的不同，硝化和反硝化两个过程在时间和空间上是分开的，或者是在不同条件的反应器内进行。虽然这些传统工艺在废水生物脱氮领域目前还起着主导作用，但这些工艺本身也存在较多问题，如：工艺流程较长，占地面积大，基建投资高;由于硝化菌群增殖速度慢而难以维持较高的生物浓度;为维持较高的生物浓度及获得良好的脱氮效果，系统必须同时进行污泥和硝化液回流;其抗冲击负荷能力较弱，高浓度NH4+和NO2-废水会抑制硝化菌生长；另外，硝化过程中产生的酸度需要投加碱中和。这些措施既增加了运行的复杂性和运行成本，又可能造成二次污染等。在污水处理工艺中的应用•ANAMMOX工艺•SHANON-ANOMMOX工艺•CANON工艺ANAMMOX工艺•在实验室规模上，ANAMMOX工艺在不同的反应器中都取得良好的运行效果，包括混合床、流化床、SBR反应器、上流式反应器等。当前，ANAMMOX反应器的主要挑战在于anammox细菌的生长缓慢造成的启动时间过长，通常需要100—150d。因此如何快速启动ANAMMOX反应器是未来研究一个十分重要的问题。SHANON-ANOMMOX工艺•厌氧氨氧化过程是氨氮和亚硝酸盐以接近1∶1的比例进行的氧化还原反应，所以，对于高氨氮、低亚硝酸盐的污水处理来说，前期的短程硝化阶段是必要的，即将部分氨氮转化为亚硝酸盐，从而保证厌氧氨氧化的反应底物比例。CANON工艺•对于有机质含量低的污水，除了将短程硝化、厌氧氨氧化作用分置于两个反应器中，还可以将两个反应相结合形成一体化反应器，即CANON(completelyautotrophicnitrogenremovalovernitrite)工艺。氨氮在两种细菌(AOB和anammox)的共同合作下完成转化。在反应器中，AOB消耗氧气氧化氨氮产生亚硝酸盐，并提供缺氧环境使anammox细菌同时生长;然后氨氮和亚硝酸盐在厌氧氨氧化作用下产生氮气脱离反应体系。•鉴于anammox细菌生存环境的多样性，科学家们推测自然界中可能存在着多种尚未发现的anammox细菌，其多样性的研究仍在进一步的探索中。待解决问题•在解决ANAMMOX等反应器启动时间过长的问题上，如何更有效地富集anammox细菌成为重点。从接种污泥的选择到最后成功实现anammox细菌的高效富集，每一个步骤都可以作为创新的突破点，从而实现anammox相关反应器的快速启动和稳定运行。•接种污泥的选择直接关系着ANAMMOX等反应器能否成功建立并稳定运行。研究发现，从多种不同类型的反应器，或者处理不同污水性质的反应器中选取活性污泥进行接种，经过3—4个月时间，在人工配水的良好环境下生长，最终都可以实现anammox细菌的富集。但是，如果接种污泥的性质不同，其反应器启动过程以及稳定运行后的出现的anammox细菌多样性就会存在一定程度的差异。•有学者推测在接种污泥多样性较高的反应器中，anammox细菌或许可以达到更快的富集效果。在如何更好地选择接种污泥方面，TsushimaI等人结合Real-Time方法对不同污泥中anammox细菌进行了具体定量，并选择anammox数量高的污泥作为接种污泥，在后续适宜条件的驯化下，反应器达到了26kgNm-3d-1的总氮去除率，anammox细菌的生长周期也变为3.6—5.4d，大大缩短了anammox细菌的世代周期。•富集anammox细菌时，反应器的类型选择以及运行条件的优化也有助于系统的启动和稳定运行。SBR、升流式固定床等反应器已被很多学者选择作为anammox富集培养的反应器。但由于anammox生长速度缓慢，而且反应过程中气体的持续产生，anammox活性污泥容易在反应器中流失，所以反应器的改进成为关键。TsushimaI等人和DateY等人分别利用无纺布作为污泥载体在其各自的反应器中均实现了anammox细菌的高效富集。而PathakBK等人利用特殊的不可移动式微生物储集器(immobilized•microbialconsortium)实现了在低温、低氨氮条件下anammox污泥的富集。