厭氧條件下氨氧化電子受體研究進展*

楊朋兵 李 祥 黃 勇# 林 興 朱 強 朱 亮 周 健

(1.蘇州科技大學環境科學與工程學院，江蘇 蘇州 215011；2.蘇州科技大學環境生物技術研究所，江蘇 蘇州 215011)

1 Anammox的發現及其意義

圖1 Anammox反應模型Fig.1 Anammox reaction model

圖2 傳統硝化、反硝化工藝與Anammox工藝對比Fig.2 Comparison of traditional nitrification and denitrification process and Anammox process

2 硫酸鹽型Anammox

2.1 發現及意義

(1)

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(3)

總反應方程為：

(4)

這種感覺終于迎來了驗證的一天。在雙方父母的一再催促下，我跟葉靄玲去領了結婚證。我明白這是一個極不靠譜的舉措，但我實在找不出理由來拒絕葉靄玲。事實上，這個日子被我往后推了又推，以各種各樣的理由，有些是完全站不住腳的。然后，它忽然呈現出不可動搖的面目，被選定在下一個吉日良辰。真是千挑萬揀，實在沒有辦法再搪塞到下一次了。于是，我倆站在了結婚登記處的柜臺前，面對一個胖胖的面目慈祥的女登記員，聽她問，你愿意娶她為妻嗎？我答，我愿。她又問，你愿意嫁給他嗎？葉靄玲答，我愿意。然后登記員向我們收取了9元錢的登記費，給我們發了兩份大紅的結婚證書，打發我們走到陽光底下來。

2.2 反應機制研究

Anammox菌由復雜的生物組成，同時包含了具有硝化功能和反硝化功能的細菌[11]1231-1233，因此體系中能夠發生異養反硝化、自養反硝化等附帶反應。當環境在有機和無機條件下變化時，其發生的反應就不僅僅是單一的硫酸鹽型Anammox反應，造成產物存在區別。若產物來源于單一反應，可采取反投加的方式來判斷體系中是否存在對應的反應，針對存在中間反應、反應速率較快產物難以檢測或多個反應都可生成同一產物的情況，則建議采用同位素示蹤技術對目標元素進行標記，并結合功能酶活性抑制物來確定反應途徑。

3 鐵還原氨氧化(Feammox)

3.1 反應機制及意義

(5)

3.2 有待解決的問題

雖然Feammox在理論上具有很多重要的意義，但其目前仍處于研究初期，還有很多問題需要去探究和解決。

3.2.1 反應產物

表1 不同環境中和Fe3+反應情況

(6)

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3.2.2 反應物

3.2.3 影響因素

4 結語和展望

多種電子受體的發現拓展了氮素圈與其他系統之間的聯系，使Anammox的廣泛應用在理論上變成可能，也為更經濟有效的脫氮提供多方面選擇。目前傳統的亞硝酸鹽型Anammox技術在國內外研究較多，理論知識也比較豐富，硫酸鹽型Anammox與Feammox在國外有一定的研究基礎，但理論還不完善，而國內相關研究目前仍處于起步階段。筆者認為，后期應在以下幾個方面開展進一步研究:(1)如何快速培養Anammox菌，快速啟動Anammox反應器以適應實際工程需求，是亞硝酸鹽型Anammox工藝后期還需繼續探究的地方；(2)硫酸鹽型Anammox的機制研究尚存爭議，而其工程應用價值很高，后期可深入研究如何控制反應階段而實現工程應用價值最大化；(3)Feammox具有工藝簡單、經濟、無二次污染等優點，但其反應機制并未明確，后期應結合同位素示蹤以及分子生物學手段深入研究，明確功能微生物種屬，探究微生物生存特性，掌握反應的實現途徑，從而使該工藝更好地應用于廢水處理，為脫氮提供更合理、更簡便的方式；(4)開展其他可以作為Anammox電子受體的研究，為氮素的轉化提供更多的可能性。

[1] 王亞宜，黎力，馬驍，等．厭氧氨氧化菌的生物特性及CANON厭氧氨氧化工藝[J].環境科學學報，2014，34(6)：1362-1374．

[2] OSHIKI M,ISHII S,YOSHIDA K,et al.Nitrate-dependent ferrous iron oxidation by anaerobic ammonium oxidation (Anammox) bacteria[J].Applied and Environmental Microbiology,2013,79(13):4087-4093.

[3] 彭永臻，邵和東，楊延棟，等．基于厭氧氨氧化的城市污水處理廠能耗分析[J].北京工業大學學報，2015，41(4)：621-627．

[4] 賈方旭，彭永臻，楊慶．厭氧氨氧化菌與其他細菌之間的協同競爭關系[J].環境科學學報，2014，34(6)：1351-1361．

[5] 姜博，祝貴兵，周磊榴，等．低溫高海拔湖泊岸邊帶厭氧氨氧化菌的存在、生物多樣性及活性——以天山天池為例[J].環境科學學報，2015，35(7)：2045-2051．

[6] 劉福鑫，黃勇，袁怡，等．厭氧硫酸鹽還原—氨氧化的研究[J].環境工程學報，2015，9(2)．

[7] SAWAYAMA S.Possibility of anoxic ferric ammonium oxidation[J].Journal of Bioscience and Bioengineering,2006,101(1).

[8] VAN DE GRAAF A A,DE BRUIJNP A R L.Metabolic pathway of anaerobic ammonium oxidation on the basis of15N studies in a fluidized bed reactor[J].Microbiology,1997,143(7).

[9] JETTEN M S,VAN NIFTRIK L,STROUS M,et al.Biochemistry and molecular biology of anammox bacteria[J].Critical Reviews in Biochemistry and Molecular Biology,2009，44(2/3):65-84.

[10] KARTAL B,DE ALMEIDA N M,MAALCKE W J,et al.How to make a living from anaerobic ammonium oxidation[J].FEMS Microbiology Reviews,2013,37(3):428-461.

[11] 陳婷婷，鄭平，胡寶蘭．厭氧氨氧化菌的物種多樣性與生態分布[J].應用生態學報，2009，20(5)．

[12] TANG Chongjian,ZHENG Ping,WANG Caihua,et al.Performance of high-loaded ANAMMOX UASB reactors containing granular sludge[J].Water Research,2011,45(1).

[13] 張正哲，金仁村，程雅菲，等．厭氧氨氧化工藝的應用進展[J].化工進展，2015，34(5)：1444-1452．

[14] ALI M,OKABE S.Anammox-based technologies for nitrogen removal:advances in process start-up and remaining issues[J].Chemosphere,2015,141:144-153.

[15] DOSTA J,VILA J,SANCHO I,et al.Two-step partial nitritation/Anammox process in granulation reactors:start-up operation and microbial characterization[J].Journal of Environmental Management,2015,164:196-205.

[16] CAO Shenbin,PENG Yongzhen,DU Rui,et al.Feasibility of enhancing the denitrifying ammonium oxidation (DEAMOX) process for nitrogen removal by seeding partial denitrification sludge[J].Chemosphere,2016,148:403-407.

[17] 陳珺，王洪臣，BERNHARD W．城市污水處理工藝邁向主流厭氧氨氧化的挑戰與展望[J].給水排水，2015，41(10)：29-33．

[18] HU Baolan,ZHENG Ping,TANG Chongjian,et al.Identification and quantification of anammox bacteria in eight nitrogen removal reactors[J].Water Research,2010,44(17):5014-5020.

[19] 王淑瑩，劉曄，袁悅，等．厭氧氨氧化顆粒污泥上浮機理及控制策略進展[J].北京工業大學學報，2015，41(10)：1501-1507．

[20] MIAO Lei,WANG Shuying,CAO Tianhao,et al.Optimization of three-stage Anammox system removing nitrogen from landfill leachate[J].Bioresource Technology,2015,185:450-455.

[21] 楊延棟，黃京，韓曉宇，等．一體式厭氧氨氧化工藝處理高氨氮污泥消化液的啟動[J].中國環境科學，2015，35(4)：1082-1087．

[22] LIU Yiwen,NI Bingjie.Appropriate Fe(Ⅱ) addition significantly enhances anaerobic ammonium oxidation (Anammox) activity through improving the bacterial growth rate[J].Scientific Reports,2015,8204:1-7.

[23] ZHAO Q I,LI W,YOU S J.Simultaneous removal of ammonium-nitrogen and sulphate from wastewaters with an anaerobic attached-growth bioreactor[J].Water Science and Technology,2006,54(8):27-35.

[24] 張麗，黃勇，袁怡，等．硫酸鹽/氨的厭氧生物轉化試驗研究[J].環境科學，2013，34(11)：4356-4361．

[25] 劉正川，袁林江，周國標，等．從亞硝酸還原厭氧氨氧化轉變為硫酸鹽型厭氧氨氧化[J].環境科學，2015，36(9)：3345-3351．

[26] 秦永麗，蔣永榮，劉成良，等．硫酸鹽型厭氧氨氧化反應器的啟動特性[J].環境工程學報，2015，9(12)：5849-5854．

[27] 馬文娟，趙東風，劉春爽，等．pH值促進硫酸鹽型厭氧氨氧化的快速啟動[J].化學與生物工程，2015，32(10)：17-20．

[28] RODEN E E,WETZEL R G.Organic carbon oxidation and suppression of methane production by microbial Fe(Ⅲ) oxide reduction in vegetated and unvegetated freshwater wetland sediments[J].Limnology and Oceanography,1996,41(8):1733-1748.

[29] CLEMENT J,SHRESTHA J,EHRENFELD J G,et al.Ammonium oxidation coupled to dissimilatory reduction of iron under anaerobic conditions in wetland soils[J].Soil Biology & Biochemistry，2005,37(12):2323-2328.

[31] YANG W H,WEBER K A,SILVER W L.Nitrogen loss from soil through anaerobic ammonium oxidation coupled to iron reduction[J].Nature Geoscience,2012,5(8).

[32] 李祥，黃勇，巫川，等．Fe2+和 Fe3+對厭氧氨氧化污泥活性的影響[J].環境科學，2014，35(11)：4224-4229．

[33] DING Longjun,AN Xinli,LI Shun,et al.Nitrogen loss through anaerobic ammonium oxidation coupled to iron reduction from paddy soils in a chronosequence[J].Environmental Science & Technology,2014,48(18):10641-10647.

[34] ROBERTS K L,KESSLER A J,MICHAEL R G,et al.Increased rates of dissimilatory nitrate reduction to ammonium (DNRA) under oxic conditionsin a periodically hypoxic estuary[J].Geochimica et Cosmochimica Act,2014,133:313-324.

[35] ZHANG Meng,ZHENG Ping,WANG Ru,et al.Nitrate-dependent anaerobic ferrous oxidation (NAFO) by denitrifyingbacteria:a perspective autotrophic nitrogen pollution control technology[J].Chemosphere,2014,117:604-609.