厌氧氨氧化专题

厌氧氨氧化生物脱氮技术AnaerobicAmmoniaOxidation(ANAMMOX)TechnologyforBiologicalNitrogenRemovalMicrobiologyContentsWhatisANAMMOXApplications1234MechanismProspects5MicrobiologyContentsWhatisANAMMOXApplications1234MechanismProspects5WhatisANAMMOX4232320.50.1521.320.0660.131.020.260.0662.03NHNOHCOHNNOCHONHOΔGO'=-358kJ(molNH4+)-1以亚硝酸盐作为氧化剂将氨氧化成氮气，或以氨作为电子供体将亚硝酸盐还原为氮气的生物反应，称为厌氧氨氧化(Anaerobicammoniumoxidation,ANAMMOX)。能够进行厌氧氨氧化的微生物，称为厌氧氨氧化菌。厌氧氨氧化的发现加深了人们对氮素循环的认识，也为人们研究和开发新型生物脱氮工艺提供了理论依据。WhatisANAMMOXIn1977,Brodapublishedatheoreticalpaperentitled”Towlindsoflithotrophsmissinginnature”describingthepotentialexistenceofchemolithotrophicbacteriaabletooxidizeammoniatodinitrogenwithnitrate,carbondioxideoroxygenasoxidant.1995年，Mulder在FEMSMicrobiolEcol上发表了第一篇有关ANAMMOX的文章。在运行三级生物脱氮流化床反应器时发现了未知氮的消失，经过反复验证，氨氮与亚硝酸盐的消失同时发生，且成一定比例，故他们认为在反应器中氨氮与亚硝酸盐发生了反应，产物为氮气,Mulder等人将此命名为厌氧氨氧化(AnaerobicAmmoniumOxidation)，即ANAMMOX。Mulder,FEMSMicrobiolEcol,1995DiscoveryWhatisANAMMOXAdvantages很高的总氮去除率；二氧化碳产生量比传统硝化/反硝化工艺减少90%；减少50%的空间需求；动力消耗比传统硝化/反硝化工艺减少60%；不消耗甲醇；剩余污泥产量极少；WhatisANAMMOXANAMMOX,onestepnitrogenremovalWhatisANAMMOXSignificance全球海洋氮循环示意图PhyllisLametal,PNAS,2009传统的观点认为，大气中的氮气主要来源于微生物的硝化(Nitrification)和反硝化作用(Denitrification)，厌氧氨氧化菌的发现，改变人们对全球氮物质循环的传统认识。随着厌氧氨氧化菌被人们在世界不同海洋海底沉积物中发现，海洋学家认识到反硝化细菌并不是海洋N2产生的唯一微生物。研究表明，海洋细菌的厌氧氨氧化过程占全球海洋N2产生量的1/3-1/2。WhatisANAMMOX2002年，丹麦学者Thamdrup和Dalsgaard应用N标记的硝酸盐和氨对海底沉积物进行的培养实验发现，厌氧氨氧化作用产生N2导致的海洋氮损失占全部氮损失的24%-67%。Thamdrup,B.&T.Dalsgaard,AEM,20022003年，两个独立的研究小组同时在Nature杂志上报道了厌氧氨氧化是海洋氮损失的主要原因:德国生物化学家Kuypers带领他的同事在世界上最大的厌氧盆地黑海海面下85-100米的无氧环境中寻找到ANAMMOX菌；Kuypers,etal.,Nature,2003Dalsgaard领导的另一个团队利用N稳定性同位素示踪的方法发现在哥斯达黎加的GolfoDulce海湾厌氧水层中有19%-35%N2的生成与厌氧氨氧化过程有关；Dalsgaard,etal.,Nature,2003随后，研究人员陆续在北极圈极地海冰,Baltimore内港,Chesapeake海湾、安哥拉的Benguela海区上升流系统、加利福尼亚的温泉等等不同经度和纬度地区的水域中发现ANAMMOX菌的踪影；Baltimore内港北极圈极地海冰Chesapeake海湾Benguela加利福尼亚HelenPilcher,NATURE,2005Pumpaction:MarcelKuypers(right)wasthefirsttofindANAMMOXbacteriainthesea.AsacceptanceofANAMMOXbacteriagrows,sotoodoestheirgripontheplanet.Themicrobesareturningupeverywhere—infreshandsaltwater,openoceansandmarinesediments,andinwastewatertreatmentplantsallovertheworld.“Onedayyoudiscoverabug,”saysKuenen,“thentenyearslatertheyturnouttobeeverywhereandimportantonaglobalscale.Theymayevenbehidinginthesewersystemunderyourkitchensink.”Emeritusandpart-timeprofessorofGeneralandAppliedMicrobiology,DepartmentofBiotechnology,FacultyofAppliedSciences,DelftUniversityofTechnology,TheNetherlandsMicrobiologyContentsWhatisANAMMOXApplications1234MechanismProspects5Mechanism两套比较完整的厌氧氨氧化生化机理模型厌氧氨氧化生化机理图（1）EdwardF.DeLong,Nature,2002亚硝酸盐被亚硝酸盐还原酶还原为羟胺(NH2OH)，联氨水解酶催化羟胺和氨缩合成联氨(N2H2)，最后，联氨在联氨氧化酶HZO（或羟胺氧化还原酶HAO）的催化下转化为氮气，同时释放的电子通过传递链交给亚硝酸盐还原酶。经典模型电子受体Electronmicrographshowingtheimmunogoldlocalizationofhydrazine/hydroxylamineoxidoreductase(blackdots)totheANAMMOXosomecompartmentintheANAMMOXbacterium“CandidatusKueneniastuttgartiensis”.Scalebar,500nmMikeS.M.Jetten,BiochemiandMoleBiolo,2009厌氧氨氧化生化机理图（2）Kuenen,J.G.,NATREVMICROBIOL,2008亚硝酸盐被亚硝酸盐还原酶（NIR）还原，得电子转化为中间体NO，NO进而与氨共同在联氨水解酶（HH）的作用下转化为联氨，最后联氨经联氨氧化酶（HAO）催化，转化为氮气，同时释放4个电子。释放的电子被辅酶Q和细胞色素C还原酶综合体转化为质子动力势PMF，产生的质子H+被ATP合成酶（ATPpase）转化为能量ATP，供微生物使用。MicrobiologyContentsWhatisANAMMOXApplications1234MechanismProspects5•ANAMMOX菌的种类与分布•ANAMMOX菌的细胞结构•ANAMMOX菌的生理特性Microbiology•ANAMMOX菌的种类与分布•ANAMMOX菌的细胞结构•ANAMMOX菌的生理特性MicrobiologyMicrobiologyANAMMOX菌的种类与分布ANAMMOX菌由于至今无法通过经典的微生物生态学手段纯培养，目前所有ANAMMOX菌种均被定义为“暂定种”。其中有4个属是主要存在于污水处理厂构筑物中或实验室活性污泥反应器中：“CandidatusKuenenia”、“CandidatusBrocadia”、“Candidatusanammoxoglobus”和“CandidatusJettenia”。第5个ANAMMOX属“CandidatusScalindua”主要存在于自然环境中，特别是海洋底泥中和低氧区。迄今为止共有5个属的ANAMMOX菌被发现，它们的16SrRNA序列相似度在87%-99%之间。1999,“CandidatusBrocadiaanammoxidans”荷兰Gist-Brocades污水处理厂2000,“CandidatusKueneniastuttgartiensi”德国斯图加特的污水处理场2002,“CandidatusBrocadiafulgida”荷兰鹿特丹污水处理厂2003,“CandidatusScalinduabrodae”英国Pitsea垃圾填埋场的污水处理厂2003,“CandidatusScalinduawagneri”英国Pitsea垃圾填埋场的污水处理厂2003,“CandidatusScalinduasorokinii”黑海的次氧化层区域2007,“CandidatusJetteniaasiatica”荷兰实验室生物膜反应器2007,“Candidatusanammoxoglobuspropionicus”实验室SBR反应器菌种首次发现地点：在许多不同地域(ThamesEstuary、Japan、ChesapeakeBay、Arcticmarine、Washingtonmargin、ArabianSeaet.al)的海洋沉积物中检测出了ANAMMOX反应。在海洋沉积物中存在的ANAMMOX菌种群较为单一，基本属于具有较强耐盐能力的Scalindua属。胡宝兰等,生态学报,2011在不同海域水体的低氧区（本格拉港、智利中部沿岸的远海区、阿拉伯海、秘鲁海）也有ANAMMOX的存在，并在氮素循环中起着不同程度的作用。胡宝兰等,生态学报,2011海洋生态系统:Dale等却发现，在开普菲尔河口ANAMMOX菌的分布呈现出了种群多样性，可同时检测到Brocadia、Kueueuia、Jetteuia和Scaliudua四个属的ANAMMOX菌。Dale,etal.EnvironMicrobiol,2009Amano等在淀川河口也检测出了多种ANAMMOX菌的共存，包括Brocadia、Kueueuia和Scaliudua属。原因推测是由于河口是海陆作用剧烈、生态结构复杂的区域，可营造适合不同种类ANAMMOX菌生存的微环境。Amano,etal.Micro&Enviro,2007淡水生态系统:Schubert等首次在天然淡水生态系统坦噶尼喀湖(LakeTanganyika)中发现了ANAMMOX菌的分布，ANAMMOX菌的最大活性为10nmolN2/h，在该区域氮素循环中的贡献率为13%，其活性与贡献率值与某些海洋生境中发生的ANAMMOX反应相比并不逊色。Schubert,etal.EnvironMicrobiol,2006Penton等和Zhang等分别在温特格林湖和江苏新沂河淡水沉积物中也检测到了ANAMMOX菌的分布。在淡水生态系统中检测到的ANAMMOX菌种群多样性水平较低，以Scalindua属居多。Penton,etal.AEM,2006;Zhang,etal.EnvironMicrobiol,2007陆地生态系统:Humbert等首次在不同陆地生态系统(包括沼泽、受污染的孔隙含水层、冻土和农田土壤)中检测出了不同种群的ANAMMOX菌，种群多样性水平较高，包括Candidatus