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反硝化型甲烷厌氧氧化的研究进展∗范秋香１ 吴 箐２ 常佳丽２ 梁 鹏２ 张潇源２ 张传义１ 黄 霞２∗∗（１中国矿业大学环境与测绘学院，江苏徐州２２１１１６；２清华大学环境学院环境模拟与污染控制国家重点联合实验室，北京１０００８４）摘 要 反硝化型甲烷厌氧氧化（ｄｅｎｉｔｒｉｆｙｉｎｇａｎａｅｒｏｂｉｃｍｅｔｈａｎｅｏｘｉｄａｔｉｏｎ，ＤＡＭＯ）即甲烷厌氧氧化耦合反硝化，是指在厌氧条件下以甲烷作为电子供体，ＮＯ２－／ＮＯ３－作为电子受体的反硝化过程。甲烷是一种温室气体，其引起的温室效应是等物质量ＣＯ２的２０～３０倍。ＤＡＭＯ过程利用甲烷代替常规碳源进行脱氮，有利于减少温室效应，并改善氮循环。研究发现，ＣａｎｄｉｄａｔｕｓＭｅｔｈｙｌｏｍｉｒａｂｉｌｉｓｏｘｙｆｅｒａ细菌和ＣａｎｄｉｄａｔｕｓＭｅｔｈａｎｏｐｅｒｅｄｅｎｓｎｉｔｒｏｒｅｄｕｃｅｎｓ古菌是参与ＤＡＭＯ过程的２类主要功能微生物，前者通过内部好氧机制耦合亚硝酸盐还原与甲烷的厌氧氧化，后者则通过逆向产甲烷途径耦合硝酸盐还原与甲烷的厌氧氧化。本文详细阐述了Ｍ．ｏｘｙｆｅｒａ细菌和Ｍ．ｎｉｔｒｏｒｅｄｕｃｅｎｓ古菌细胞内代谢途径，着重总结了甲烷、ＮＯ２－／ＮＯ３－、反应器构型、温度等因素对ＤＡＭＯ性能的影响。并对ＤＡＭＯ实际应用方面的研究现状做了调研。在ＤＡＭＯ功能微生物作用机制、快速富集及影响因素的进一步深入研究的基础上，推进ＤＡＭＯ污水脱氮工艺的应用是未来的主要研究热点和发展方向。关键词 污水脱氮；功能微生物富集；反硝化速率；影响因素中图分类号 Ｑ９３ 文献标识码 Ａ 文章编号 １０００－４８９０（２０１５）６－１７４７－０８Ｒｅｓｅａｒｃｈｐｒｏｇｒｅｓｓｉｎｄｅｎｉｔｒｉｆｙｉｎｇａｎａｅｒｏｂｉｃｍｅｔｈａｎｅｏｘｉｄａｔｉｏｎ．ＦＡＮＱｉｕ⁃ｘｉａｎｇ１，ＷＵＱｉｎｇ２，ＣＨＡＮＧＪｉａ⁃ｌｉ２，ＬＩＡＮＧＰｅｎｇ２，ＺＨＡＮＧＸｉａｏ⁃ｙｕａｎ２，ＺＨＡＮＧＣｈｕａｎ⁃ｙｉ１，ＨＵＡＮＧＸｉａ２∗∗（１ＳｃｈｏｏｌｏｆＥｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔａｌＳｃｉｅｎｃｅａｎｄＳｐａｔｉａｌＩｎｆｏｒｍａｔｉｃｓ，ＣｈｉｎａＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆＭｉｎｉｎｇａｎｄＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｘｕｚｈｏｕ２２１１１６，Ｊｉａｎｇｓｕ，Ｃｈｉｎａ；２ＳｔａｔｅＫｅｙＪｏｉｎｔＬａｂｏｒａｔｏｒｙｏｆＥｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔａｌＳｉｍｕｌａｔｉｏｎａｎｄＰｏｌｌｕｔｉｏｎＣｏｎｔｒｏｌ，ＳｃｈｏｏｌｏｆＥｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔ，ＴｓｉｎｇｈｕａＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｂｅｉｊｉｎｇ１０００８４，Ｃｈｉｎａ）．ＣｈｉｎｅｓｅＪｏｕｒｎａｌｏｆＥｃｏｌｏｇｙ，２０１５，３４（６）：１７４７－１７５４．Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｄｅｎｉｔｒｉｆｙｉｎｇａｎａｅｒｏｂｉｃｍｅｔｈａｎｅｏｘｉｄａｔｉｏｎ（ＤＡＭＯ）ｉｓａｎｏｖｅｌｄｅｎｉｔｒｉｆｉｃａｔｉｏｎｐｒｏｃｅｓｓｗｉｔｈｍｅｔｈａｎｅａｓｔｈｅｅｌｅｃｔｒｏｎｄｏｎｏｒａｎｄＮＯ３－／ＮＯ２－ａｓｔｈｅｅｌｅｃｔｒｏｎａｃｃｅｐｔｏｒｕｎｄｅｒａｎａｅｒｏｂｉｃｃｏｎ⁃ｄｉｔｉｏｎ．Ａｓａｇｒｅｅｎｈｏｕｓｅｇａｓ，ＣＨ４ｈａｓ２０－３０ｔｉｍｅｓｇｒｅａｔｅｒｇｌｏｂａｌｗａｒｍｉｎｇｐｏｔｅｎｔｉａｌｔｈａｎＣＯ２．ＣＨ４，ｉｎｓｔｅａｄｏｆｃｏｎｖｅｎｔｉｏｎａｌｃａｒｂｏｎｓｏｕｒｃｅ，ｉｓｕｓｅｄｆｏｒｄｅｎｉｔｒｉｆｉｃａｔｉｏｎｉｎｔｈｅｐｒｏｃｅｓｓｏｆＤＡＭＯ，ｗｈｉｃｈｉｓｂｅｎｅｆｉｃｉａｌｆｏｒｒｅｄｕｃｉｎｇｇｌｏｂａｌｗａｒｍｉｎｇｅｆｆｅｃｔａｎｄｉｍｐｒｏｖｉｎｇｎｉｔｒｏｇｅｎｃｙｃｌｅ．ＩｔｈａｓｂｅｅｎｆｏｕｎｄｔｈａｔＣａｎｄｉｄａｔｕｓＭｅｔｈｙｌｏｍｉｒａｂｉｌｉｓｏｘｙｆｅｒａ（ｂｅｌｏｎｇｉｎｇｔｏｂａｃｔｅｒｉａ）ａｎｄＣａｎｄｉｄａｔｕｓＭｅｔｈａｎｏ⁃ｐｅｒｅｄｅｎｓｎｉｔｒｏｒｅｄｕｃｅｎｓ（ａｒｃｈａｅａ）ａｒｅｔｈｅｔｗｏｍａｉｎｍｉｃｒｏｂｉａｌｃｏｍｍｕｎｉｔｉｅｓｐａｒｔｉｃｉｐａｔｉｎｇｉｎＤＡＭＯｐｒｏｃｅｓｓ．ＴｈｅｆｏｒｍｅｒｃｏｎｄｕｃｔｓＮＯ２－⁃ＤＡＭＯｐｒｏｃｅｓｓｖｉａ“ｉｎｔｒａａｅｒｏｂｉｃｐａｔｈｗａｙ”ｗｈｉｌｅｔｈｅｏｔｈｅｒｕｓｅｓ“ｒｅｖｅｒｓｅｍｅｔｈａｎｏｇｅｎｅｓｉｓｐａｔｈｗａｙ”ｔｏｃｏｕｐｌｅＮＯ３－ｒｅｄｕｃｔｉｏｎｗｉｔｈｍｅｔｈａｎｅａｎａｅｒｏｂｉｃｏｘｉｄａ⁃ｔｉｏｎ．ＴｈｉｓｐａｐｅｒｅｌａｂｏｒａｔｅｄｔｈｅｉｎｔｒａｃｅｌｌｕｌａｒｍｅｔａｂｏｌｉｃｐａｔｈｗａｙｏｆＭ．ｏｘｙｆｅｒａａｎｄＭ．ｎｉｔｒｏｒｅｄｕ⁃ｃｅｎｓ，ａｎｄｓｕｍｍａｒｉｚｅｄｔｈｅｉｎｆｌｕｅｎｃｅｆａｃｔｏｒｓｏｆＤＡＭＯｐｒｏｃｅｓｓｉｎｄｅｔａｉｌ，ｉｎｃｌｕｄｉｎｇｓｕｂｓｔｒａｔｅ（ＣＨ４ａｎｄＮＯ２－／ＮＯ３－）ｃｏｎｃｅｎｔｒａｔｉｏｎ，ｒｅａｃｔｏｒｃｏｎｆｉｇｕｒａｔｉｏｎａｎｄｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ，ｅｔｃ．Ｍｅａｎｗｈｉｌｅ，ｔｈｅｃｕｒ⁃ｒｅｎｔｓｔａｔｕｓｏｆＤＡＭＯａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｏｎｎｉｔｒｏｇｅｎｒｅｍｏｖａｌｗａｓａｌｓｏｉｎｖｅｓｔｉｇａｔｅｄ．Ｗｉｔｈｆｕｒｔｈｅｒｅｘｐｌｏｒａ⁃ｔｉｏｎｏｆｔｈｅｍｅｃｈａｎｉｓｍｓ，ｅｎｒｉｃｈｍｅｎｔａｎｄｉｎｆｌｕｅｎｃｅｆａｃｔｏｒｓｏｆｍｉｃｒｏｂｉａｌｃｏｍｍｕｎｉｔｉｅｓ，ｔｈｅｐｒｏｐｕｌ⁃ｓｉｏｎｏｆＤＡＭＯｉｎｄｕｓｔｒｉａｌａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｗｏｕｌｄｂｅｔｈｅｆｒｏｎｔｉｅｒｉｎｔｈｅｆｕｔｕｒｅ．Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｗａｓｔｅｗａｔｅｒｎｉｔｒｏｇｅｎｒｅｍｏｖａｌ；ｆｕｎｃｔｉｏｎａｌｍｉｃｒｏｂｉａｌｅｎｒｉｃｈｍｅｎｔ；ｄｅｎｉｔｒｉｆｉｃａｔｉｏｎｒａｔｅ；ｉｎｆｌｕｅｎｃｅｆａｃｔｏｒ．∗国家自然科学基金创新团队项目（２１２２１００４）资助。∗∗通讯作者Ｅ⁃ｍａｉｌ：ｘｈｕａｎｇ＠ｔｓｉｎｇｈｕａ．ｅｄｕ．ｃｎ收稿日期：２０１４⁃１１⁃０４ 接受日期：２０１５⁃０２⁃０３生态学杂志ＣｈｉｎｅｓｅＪｏｕｒｎａｌｏｆＥｃｏｌｏｇｙ ２０１５，３４（６）：１７４７－１７５４ 甲烷是一种重要的温室气体，其引起的温室效应是等物质量ＣＯ２的２０～３０倍（Ｃｉｃｅｒｏｎｅｅｔａｌ．，１９８８），对全球变暖的贡献率约占２０％（Ｋｎｉｔｔｅｌｅｔａｌ．，２００９）。有关甲烷的控制研究一直是关注的热点。多年来，人们普遍认为甲烷的消耗是在有氧的条件下进行的。至今发现的甲烷好氧氧化菌已有１００余株（董文艺等，２０１１）。但自１９７４年开始，人们在厌氧海洋沉积物中发现了甲烷厌氧氧化（ａｎａｅ⁃ｒｏｂｉｃｏｘｉｄａｔｉｏｎｏｆｍｅｔｈａｎｅ，ＡＯＭ）耦合硫酸盐还原过程（Ｍａｒｔｅｎｓｅｔａｌ．，１９７４；Ｒｅｅｂｕｒｇｈ，１９７６；Ｖａｌｅｎｔｉｎｅｅｔａｌ．，２０００），改变了一直以来对于甲烷只存在好氧氧化的认知。２００６年，荷兰Ｒａｇｈｏｅｂａｒｓｉｎｇ等（２００６）利用受氮素污染的淡水沉积物成功富集了能在厌氧条件下完成甲烷氧化耦合硝酸盐还原过程的微生物群落，并将此反应过程称为反硝化型甲烷厌氧氧化（ｄｅｎｉｔｒｉｆｙｉｎｇａｎａｅｒｏｂｉｃｍｅｔｈａｎｅｏｘｉｄａｔｉｏｎ，ＤＡＭＯ），化学方程式可以表述为：５ＣＨ４＋８ＮＯ３－＋８Ｈ＋→５ＣＯ２＋４Ｎ２＋１４Ｈ２Ｏ３ＣＨ４＋８ＮＯ２－＋８Ｈ＋→３ＣＯ２＋４Ｎ２＋１０Ｈ２ＯＤＡＭＯ过程在一定程度上影响着全球碳素和氮素循环，其利用甲烷作为碳源用于传统的反硝化工艺进行脱氮，为低物耗废水处理和节能减排提供了新思路。对ＤＡＭＯ过程及其功能微生物的研究在微生物学、生态学和环境工程领域具有极其重要的意义。本文具体介绍了ＤＡＭＯ的发展历史，详细阐述了ＤＡＭＯ功能微生物的发生机理、影响因素，并探讨了ＤＡＭＯ用于污水处理存在的问题及未来发展方向。１ ＤＡＭＯ的发展１９７６年，Ｒｅｅｂｕｒｇｈ（１９７６）发现海洋沉积物中甲烷含量急剧下降，首次认识到甲烷的减少可能是由甲烷的厌氧消耗造成的。随后发现的硫酸盐型甲烷厌氧氧化（ｓｕｌｐｈａｔｅ⁃ｄｅｐｅｎｄｅｎｔａｎａｅｒｏｂｉｃｍｅｔｈａｎｅｏｘｉ⁃ｄａｔｉｏｎ，ＳＡＭＯ）一直是研究者关注的重点。根据热力学定律，ＮＯ２－／ＮＯ３－比ＳＯ４２－更适于充当甲烷氧化的电子受体。Ｓｔｒｏｕｓ等（２００４）由此猜想自然界中可能存在某类异养型微生物，可以利用ＮＯ２－／ＮＯ３－作为甲烷氧化的电子受体。直至２００４年，墨西哥学者Ｌｓｌａｓ⁃Ｌｉｍａ等（２００４）首次证明了ＤＡＭＯ过程的存在，但并未对菌群进行具体分析。随后，各国学者们针对参与ＤＡＭＯ过程的潜在功能微生物进行了大量研究，包括微生物内在代谢机理、影响因素以及在自然界中的分布，并探讨ＤＡＭＯ在实际工程中的应用等（表１）。２００６年，荷兰研究人员Ｒａｇｈｏｅｂａｒｓｉｎｇ等（２００６）富集获得具有ＤＡＭＯ功能的培养物。通过同位素标记、脂质分析以及１６ＳｒＲＮＡ基因检测发现ＤＡＭＯ富集物中包括两大类功能微生物：其中优势种群隶属于ＮＣ１０门，在随后的研究中被命名为“ＣａｎｄｉｄａｔｕｓＭｅｔｈｙｌｏｍｉｒａ⁃ｂｉｌｉｓｏｘｙｆｅｒａ”（Ｅｔｔｗｉｇｅｔａｌ．，２０１０）；而另外一类是甲烷厌氧氧化古菌（ａｎａｅｒｏｂｉｃｍｅｔｈａｎｏｔｒｏｐｈｉｃａｒｃｈａｅａ，ＡＮＭＥ），由Ｈａｒｏｏｎ等（２０１３）证实其属于ＡＮＭＥ⁃２ｄ，命名为“ＣａｎｄｉｄａｔｕｓＭｅｔｈａｎｏｐｅｒｅｄｅｎｓｎｉｔｒｏｒｅｄｕｃｅｎｓ”。Ｅｔｔｗｉｇ等（２００８）研究发现，当底物替换为ＮＯ２－后，随着富集时间的延长，ＡＮＭＥ丰度逐渐减少直至无法检测，推测ＤＡＭＯ可由Ｍ．ｏｘｙｆｅｒａ细菌独立承担完成，而ＡＮＭＥ⁃２ｄ则在以ＮＯ３－为基质的ＤＡＭＯ过程中起关键作用。成功获得ＤＡＭＯ功能微生物的富集培养物后，研究者开始探究其内在机理。Ｒａｇｈｏｅｂａｒｓｉｎｇ等（２００６）提出了ＤＡＭＯ的反向产甲烷假说，即ＡＮＭＥ首先通过反向产甲烷过程将甲烷氧化，释放的电子供Ｍ．ｏｘｙｆｅｒａ细菌利用。但在发现ＮＣ１０门细菌可表１ ＤＡＭＯ的研究现状Ｔａｂｌｅ１ ＲｅｓｅａｒｃｈｓｔａｔｕｓｏｆＤＡＭＯ研究人员研究机构发表论文年代发表论文数量研究领域Ｔｈａｌａｓｓｏ墨西哥高等学术研究中心生物技术系２００４１水处理工艺Ｒａｇｈｏｅｂａｒｓｉｎｇｅｔａｌ．荷兰ＲａｄｂｏｕｄＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙＮｉｊｍｅｇｅｎ２００６—２０１４１７微生物学、生态学、分子生物学Ｙｕａｎ澳大利亚ＴｈｅＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆＱｕｅｅｎｓｌａｎｄ２００９—２０１０４水处理工艺、分子生物学胡宝兰中国浙江大学环境工程系２０１１—２０１４１３环境科学与技术、分子生物学Ｄｅｕｔｚｍａｎｎ德国ＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙＣｏｎｓｔａｎｃｅ２０１１１环境科学与技术Ｋａｍｐｍａｎ荷兰ＷａｇｅｎｉｎｇｅｎＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ２０１２１水处理工艺Ｈｉｓａｙａ日本ＨｏｋｋａｉｄｏＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ２０１２１环境科学与技术Ｖａｓｉｌｙ俄罗斯ＩｎｓｔｉｔｕｔｅｏｆｔｈｅＡｃａｄｅｍｙｏｆＳｃｉｅｎｃｅｓ２０１３１生态学Ｇｕ中国香港大学太古海洋科学研究所２０１３—２０１４２分子生物学８４７１ 生态学杂志 第３４卷 第６期 图１ 有关ＤＡＭＯ研究发表论文的变化趋势Ｆｉｇ．１ ＴｒｅｎｄｓｏｆｐｕｂｌｉｓｈｅｄｒｅｓｅａｒｃｈｐａｐｅｒｓａｂｏｕｔＤＡＭＯ以独立完成甲烷厌氧氧化耦合亚硝酸盐还原后，该假说被证明不成立。２０１０年，Ｅｔｔｗｉｇ等（２０１０）提出并证实了Ｍ．ｏｘｙｆｅｒａ细菌的内部产氧机制，这是ＤＡＭＯ机理研究上的里程碑。ＤＡＭＯ功能微生物在自然界中分布较为广泛。自２００６年首次从淡水沉积物中获得ＤＡＭＯ富集物起，研究者又相继在德国康斯坦茨湖（Ｄｅｕｔｚｍａｎｎｅｔａｌ．，２０１１）、荷兰污水处理厂（Ｌｕｅｓｋｅｎｅｔａｌ．，２０１１ａ，２０１１