厌氧氨氧化ppt

厌氧氨氧化Anammox主要内容1Anammox检测手段2Anammox反应机理3Anammox影响因素4Anammox研究进展1Anammox研究进展Anammox应用现状5水体富营养化水体富营养化《2011中国环境状况公报》在监测的26个湖泊（水库）中，富营养化状态的湖泊（水库）占53.8%，其中，轻度富营养状态和中度富营养状态的湖泊（水库）比例分别为46.1%和7.7%。水体富营养化水体富营养化水体氮素污染传统生物脱氮工艺满足厌氧氨氧化工艺低碳氮比、高氨氮有机废水。Anammox定义Anammox：在缺氧条件下通过微生物的作用，以亚硝酸氮为电子受体，氨氮为电子供体，将亚硝酸氮和氨氮同时转化为N2的过程。42320.50.152321.320.0660.130.0661.020.262.03NHNOHCOHCHONNNOHOAnammox发展简史1977年，Broda根据自由能的变化，预言自然界中存在着能催化亚硝酸和硝酸氧化氨的细菌，认为它们是隐藏于自然界的自养型细菌。1995年，Mulder和vandeGraaf等用流化床反应器研究生物反硝化时，发现了氨氮的厌氧生物氧化现象，从而证实了Broda的预言。2002年，世界第一座Anammox工业化生产反应器在荷兰鹿特丹污水处理厂投入运行。Baltimore内港、日本海Chesapeake海湾波罗地海的芬兰湾安哥拉的Benguela上升流英国的泰晤士河口丹麦Mellerup河口南海等2002200320042004-2013海洋中1厌氧盆地—黑海2哥斯达黎加GolfoDulce海湾北极圈极地海冰波罗的海过渡区大陆架沉积物Anammox分布Anammox分布除了海洋、河口、海湾外，在陆地生态系统中也存在Anammox，湿地、农田土壤、冻土层、蓄水层等土壤干湿界面也有探测到Anammox菌。Anammox生物脱氮研究荷兰Delft大学生物技术系：Anammox研究的发源地；目前主要研究Anammox脱氮工艺及其应用。荷兰的Paques公司首家将Anammox工艺工程化应用的公司。世界10座Anammox废水处理工程：荷兰的Rotterdam，Lichtenvoorde，Olburgen；德国的Hattingen，Mechernich；日本的MiePrefecture；澳大利来的Strass；瑞士的Glanerland和Kollikon以及英国的Pitsea。Anammox生物脱氮研究澳大利亚昆士兰大学的JSFuerst团队：研究细胞生物学，与奈梅亨大学团队一起探明了厌氨氧化体的结构及其生理特性。法国的国家基因测序公司Genoscope与Nijmegen团队、Vienna团队以及Munich团队：2005年完成了厌氧氨氧化菌KueneniaStuttgartiensis全基因组的测序。荷兰海洋研究中心的JaapDamste研究团队：海洋生态系统有关厌氧氨氧化的研究，并探明了厌氧氨氧化菌特征性的阶梯烷细胞化学组分。MPEBremen研究团队：首次证实海洋中存在厌氧氨氧化活性。Anammox生物脱氮研究浙大郑平教授团队：研究Anammox菌种、工艺和设备。2008年，成功将Anammox应用于味精废水处理，建立了国内第一个Anammox处理实际废水工程；中国科大俞汉青教授团队：研究Anammox污泥颗粒化，成功培育Anammox颗粒污泥。大连理工杨凤林教授团队：分子生物学手段检测Anammox的菌群组成。北京建筑工程学院郝晓地教授团队：侧重工艺及实际应用研究。华南理工大学周少奇教授、胡勇为教授团队：Anammox处理垃圾渗滤液。广州微生物所沈萍教授团队：Anammox处理垃圾渗滤液。分子生物学：在生物化学与遗传学、微生物学、细胞学、生物物理学等学科相结合的基础上发展起来的崭新学科。研究对象：生物大分子—核酸（DNA和RNA）。分子生物学技术荧光原位杂交技术FISH多聚酶链式反应PCR变性梯度凝胶电泳DGGEDNA克隆DNA测序及序列分析分子生物学技术荧光原位杂交技术：fluorescentinsituhybridazation，FISH20世纪70年代后期根据已知微生物不同分类级别上种群特异的DNA序列，以利用荧光标记的特异寡核苷酸片段作为探针，与环境基因组中DNA分子杂交，检测该特异微生物种群的存在与丰度。特点：1.可进行样品的原位杂交，避免细菌的纯培养过程2.可有效反应环境样品中细菌数量及空间位置，并具有定性、定量分析和空间位置识别特点环境中特定微生物种群的鉴定、种群数量分析及其特异微生物跟踪检测，采用该技术已发现了许多新的微生物物种。荧光原位杂交技术FISH多聚酶链式反应：polymerasechainreaction，PCR美国Cetus公司Mullis等1985年一套大量快速扩增特异DNA片段的系统，属DNA体外合成技术类似于生物体内DNA的复制过程，重复经过若干个变性、退火、延伸这3步循环，就可以使目的DNA扩增放大。通过PCR，可以在几小时内将一个分子的遗传物质成百乃至上亿倍的复制。该技术具有特异性强、灵敏度高、快速、简便以及重复性好等特点和优点。经典PCR荧光定量PCR(Real-timePCR)多聚酶链式反应PCR环境样品DNA含量过低变性梯度凝胶电泳denaturinggradientgelelectrophoresis，DGGE：Myers等创建，属于DNA指纹图谱技术。PCR扩增产物在具有变性浓度梯度的聚丙烯酰胺凝胶中具有不同的迁移位点，不同的G＋C含量在胶中产生不同分离的条带，每一条条带代表一个不同的微生物种群，通常用条带数目的多少来反映微生物种群的多样性，用条带的染色强度反映不同细菌种群的丰度。DGGE在微生物分子生态学方面的应用：对复杂微生态系统的解析成为可能对微生物群落动态变化的研究成为可能变性梯度凝胶电泳DGGE环境样品微生物分析存在的问题：得不到足够的目标物质进行分析微生物体内的蛋白质，能被纯化的部分几乎不到一半，真核细菌的蛋白质则更难得到分子克隆：将目标DNA片断插入一段自复制的DNA分子（克隆载体）中，而后目标DNA片断就和载体复制在一起，将这个携带着目标DNA片断的载体在宿主细胞（如酵母菌）中克隆后就可产生大量的被插入的目标DNA片断。DNA克隆DNA测序：采用高温使DNA双链变性，引物被退火后得到延伸。TaqDNA多聚酶也是DNA测序反应中常用的酶，它能使染料标记的DNA终端分布更加均匀，具有较高的测序准确度。DNA序列分析：测序后一个重要步骤。不同微生物有不同DNA序列，因此经过准确和合理的序列分析即能鉴定目标微生物。1.通过网络数据资源得到有关的序列信息2.应用软件在数据库中查询3.通过系统发育分析确定微生物在发育过程中种属关系。DNA测序及序列分析细菌总DNA提取、特异性PCR扩增16SrDNA、16SrDNA克隆、16SrDNA基因测序和16SrDNA基因序列分析。Anammox菌的分子生物学鉴定迄今为止共发现了9个种的厌氧氨氧化菌，分别归在5个属中，并建立了厌氧氨氧化菌科（Anammoxaceae）“CandidatusBrocadiaanammoxidans”“CandidatusBrocadiafulgida”“CandidatusKueneniastuttgartiensis”“CandidatusScalinduabrodae”“CandidatusScalinduawagneri”“CandidatusAnammoxoglobuspropionicus”“CandidatusJetteniaasiatica”“CandidatusAnammoxoglobussulfate”“CandidatusScalinduasorokinii”Anammox菌的分子生物学鉴定Strous等最先发现CandidatusBrocadiaanammoxidans并确定其16SrDNA序列及在细菌进化树上的位置，B.anammoxidans的16SrDNA基因序列常被用来设计为特定的寡核苷酸探针，以用于荧光原位杂交(FISH)。Schmid等在德国几个污水处理厂中发现CandidatusKueneniastuttgartiensis，它们的16SrDNA序列形成了一个明显独立的种群，其中有85%的细菌与已发现的B.anammoxidans的16SrDNA序列相似性少于90%，因而认为是一种新的厌氧氨氧化菌。Anammox菌的分子生物学鉴定革兰阴性菌专性厌氧菌红菌470nm有较强的吸收峰多样，呈球形、卵形等直径0.8-1.1µm无荚膜壁表面有火山口状结构有少量菌毛细胞壁细胞膜细胞内厌氧氨氧化体核糖细胞质外室细胞质生理特征个体形态细胞结构Anammox反应机理Anammox菌生理生化特征Anammox菌图2颗粒污泥外观扫描电镜照片图1Anammox颗粒污泥图3反应器内富集培养物Anammox菌图4颗粒污泥内部Anammox菌图5颗粒污泥超薄切片，透射电镜照片羟胺和联氨氧化还原酶（HAO）厌氧氨氧化分解代谢的场所。1、特有结构2、占细胞体积30%以上3、可完整分离4、单层不可渗透的膜包围5、几乎无RNA/DNA厌氧氨氧化体Anammox反应机理Anammox反应机理1997年，VandeGraaf等通过15N标记实验发现：羟胺（NH2OH）最可能是氨氧化的电子受体，并推测出其代谢途径。厌氧氨氧化菌首先NO2-转化成NH2OH，再以NH2OH为电子受体将NH4+氧化形联氨（N2H4）；N2H4转化成N2，并为NO2-还原成NH2OH提供电子。试验中有少量NO2-被氧化成NO3-,推测可能是为厌氧氨氧化菌固定CO2提供电子。生物转化过程中存在以下平衡关系:NH4+:NO2-:NO3-=1:1.32:0.26。42320.50.152321.320.0660.130.0661.020.262.03NHNOHCOHCHONNNOHOFig.6PossiblemetabolicpathwayforAnammoxAnammox反应机理Anammox影响因素影响因素pH泥龄氧基质浓度磷酸盐有机物温度光温度：适宜温度为30-40℃。pH：影响细菌（电解质平衡和酶活性）和基质（FA和游离亚硝酸）。氧：有抑制作用，微氧条件(0.5%空气饱和度)可完全抑制，但该抑制作用是可逆的；大于18%空气饱和度，菌群不可恢复。最适pH为6.7-8.3Anammox影响因素基质浓度：氨浓度和硝酸盐浓度低于1000mg/L不产生抑制；亚硝酸盐浓度超过100mg/L产生明显抑制。泥龄：厌氧氨氧化菌生长缓慢，故泥龄越长越好。有机物：异养菌增殖较快，从而抑制厌氧氨氧化活性。Anammox影响因素磷酸盐：高浓度的磷酸盐有抑制作用。对Brocadiaanammoxidans，加入1mM的磷酸盐对其活性无影响，但加入5mM完全抑制；而Kueneniastuttgartiensis耐受力为20mM。光：厌氧氨氧化菌属光敏性微生物，光能抑制其活性，降低30%-50%的氨去除率。Anammox影响因素Anammox特点同比例除氮1234无机碳源CO2自养菌红色生长慢厌氧对氧敏感优点已知的最简捷、最经济的生物脱氮途径与传统硝化/反硝化相比无需外加碳源污泥产量少无需供氧无需外加碱度倍增时间长，生长缓慢抗冲击负荷能力弱对环境条件要求苛刻，DO、温度、pH、有机物等会对Anammox过程产生影响缺点不同脱氮工艺比较参数AnammoxCANONSharon传统脱氮工艺反应器个数112/进水水质要求含氨氮及亚硝酸盐常规常规常规产物N2,NO3-N2,NO3-N2,NH4+N2,NO3-,NO2-运行状态兼氧微量曝气好氧好氧，兼氧需氧量无低低高pH控制无无无需要生物截留量有有无无有机碳源需求无无