厭氧氨氧化菌與脫氮菌關系研究進展

陳 瑞

（新疆大學資源與環(huán)境科學學院，烏魯木齊 830046）

水體中過量的氮可能導致水體富營養(yǎng)化，危害水體生態(tài)環(huán)境，因此污水脫氮顯得極為重要。研究表明，厭氧氨氧化過程造成海洋生態(tài)系統(tǒng)中30%～50%的氮損失，對水體氮元素的去除起到巨大的作用[1]。厭氧氨氧化是無機自養(yǎng)過程，于20世紀90年代初在反硝化流化床中被發(fā)現(xiàn)，厭氧氨氧化過程不消耗有機碳，不需曝氣，剩余污泥量少，且能同時去除氨氮和亞硝酸鹽氮，作為經(jīng)濟、節(jié)能、高效的脫氮技術，已成為水污染控制工程領域近幾年的研究熱點[2]。

厭氧氨氧化菌（Anaerobic ammonium oxidation bacteria，AAOB）的存在實現(xiàn)了厭氧氨氧化過程，已被發(fā)現(xiàn)的包括Ca.Brocadia，Ca.Kuenenia，Ca.Scalindua，Ca.Anammoxoglobus，Ca.Jettenia和Ca.Anammoximicrobium，都屬于浮霉菌門（Planctomycetes）。AAOB尚未從培養(yǎng)物中分離純化，表明它們可能與其他微生物共存[3]。在此基礎上，其衍生出與厭氧氨氧化過程結(jié)合的工藝，如亞硝化/厭氧氨氧化工藝（Partial-nitritation/anammox，PN/A）、同步亞硝化厭氧氨氧化反硝化工 藝（Simultaneous partial nitrification，anammox and denitrification，SNAD）、厭氧氨氧化-甲烷厭氧氧化聯(lián)合工藝等，這些工藝較單純的厭氧氨氧化工藝或傳統(tǒng)的硝化-反硝化工藝更具優(yōu)勢。

基于厭氧氨氧化過程的組合工藝是很有前途的廢水脫氮技術，掌握AAOB與其他脫氮菌之間的關系對這些技術的發(fā)展與應用起著極大的促進作用。而當前，AAOB與其他脫氮菌關系的研究較少。本文以AAOB與硝化菌、反硝化菌、厭氧甲烷氧化菌的關系，以及它們在廢水處理中的應用現(xiàn)狀進行了論述。

1 厭氧氨氧化菌與硝化菌的關系及應用

1.1 厭氧氨氧化細菌與硝化菌的關系

硝化菌包括氨氧化細菌（Ammonia-oxidizing bacteria，AOB）、 亞 硝 酸 鹽 氧 化 細 菌（Nitrite oxidation bacteria，NOB）和氨氧化古菌（Ammoniaoxidizing archaea，AOA）等。在黑海氧含量最低的區(qū)域，人們發(fā)現(xiàn)了硝化-厭氧氨氧化聯(lián)合脫氮的現(xiàn)象[4]。在污水處理系統(tǒng)中，PN/A工藝利用AAOB和AOB聯(lián)合去除水體中的氮元素，AOB先進行預處理，將大部分氨氮氧化成亞硝酸鹽氮，為AAOB提供亞硝酸鹽氮，厭氧條件下，AAOB利用亞硝酸鹽氮作為電子受體，將污水中剩余的氨氮和亞硝酸鹽氮同時去除。溶解氧（DO）對AAOB具有極強的抑制作用，只有在充入惰氣完全吹脫水中DO的狀態(tài)下，AAOB才能表現(xiàn)其活性。因此，AOB與AAOB耦合，AOB還能夠消耗DO，為厭氧氨氧化細菌創(chuàng)造厭氧環(huán)境，AAOB與AOB之間表現(xiàn)出協(xié)同的作用。

NOB可以將亞硝酸鹽氮轉(zhuǎn)化成硝酸鹽氮，因為與厭氧氨氧化反應基質(zhì)相同，兩種菌存在競爭關系。但厭氧氨氧化活性試驗結(jié)果證實了在AAOB活躍的環(huán)境（缺氧）下，NOB活性被有效地抑制，原因是NOB對氧的親和力遠遠低于AOB，使得NOB在缺氧環(huán)境下無法生存。因此，AAOB和NOB最適宜的生境相異，不會產(chǎn)生顯著的互相影響[5]。

此外，AOA可將氨氮轉(zhuǎn)化為亞硝酸鹽氮，為AAOB提供基質(zhì)。AOA是一個完全獨立于AOB的進化群，有研究表明AOA廣泛分布于海洋環(huán)境、土壤、湖泊、溫泉和礦區(qū)，可能在全球氮素循環(huán)中發(fā)揮著重要作用[6]。然而，AOB一直被認為是氨氧化過程的主要驅(qū)動因素，忽略了AOA在大范圍的環(huán)境中對氨氧化的重要貢獻，在某些極端環(huán)境下，如低氧環(huán)境中，AOA活性更強。

1.2 厭氧氨氧化菌與硝化菌在廢水處理中的應用現(xiàn)狀

PN/A工藝是利用AAOB和硝化菌的一種新型水處理工藝，與傳統(tǒng)的硝化/反硝化脫氮工藝相比，可節(jié)省60%的曝氣和近100%的有機碳，越來越受到人們的重視。近些年來，PN/A工藝已成功應用或探索其處理不同類型工業(yè)廢水的潛在可行性，包括污泥消化液、垃圾滲濾液、谷氨酸鈉廢水、黑色廢水、制藥廢水、豬場廢水和半導體工廠廢水等。

在PN/A過程中，AAOB與其他微生物的特性和相互作用主要涉及AOB和NOB，關鍵功能微生物之間的合作和競爭對厭氧氨氧化過程的穩(wěn)定性和性能至關重要。AAOB作為一種關鍵的功能性菌，需要連續(xù)供應氨氮和亞硝酸鹽氮，氨氮直接來自原廢水，亞硝酸鹽氮因其化學特性在大多數(shù)廢水中含量很低，主要通過微生物代謝獲得。在硝化過程中，AOB通過氨單加氧酶（Amo）消耗氨，產(chǎn)生亞硝酸鹽氮，為厭氧氨氧化反應提供電子受體。

而NOB在足夠的氧存在下，亞硝酸鹽氮很容易通過羥胺氧化酶（Hao）轉(zhuǎn)化為硝酸鹽氮，爭奪了厭氧氨氧化反應的基質(zhì)。因此，PN/A系統(tǒng)中就需要DO含量足夠低，抑制NOB的活性，厭氧氨氧化反應才能取得優(yōu)勢。

2 厭氧氨氧化細菌與反硝化菌的關系及應用

2.1 厭氧氨氧化細菌與反硝化菌的關系

傳統(tǒng)的反硝化脫氮是還原過程，反硝化菌將亞硝酸鹽氮和硝酸鹽氮還原為氣態(tài)氮化合物和氮氣。亞硝酸鹽氮作為硝酸鹽還原過程的主要中間體，因亞硝酸鹽還原酶和硝酸鹽還原酶活性不同，亞硝酸鹽的還原速率低于硝酸鹽產(chǎn)生亞硝酸鹽氮的速率，造成亞硝酸鹽氮的積累，為AAOB提供亞硝酸鹽氮。在反硝化過程中，許多環(huán)境因素也會導致亞硝酸鹽氮的積累，主要包括：碳氮比（C/N）、碳源類型、pH、溫度、亞硝酸鹽濃度、氧氣濃度和有毒化合物等[7]。

反硝化菌的另一種基質(zhì)有機物，能夠抑制厭氧氨氧化活性。當有機物濃度較高時，大部分亞硝酸鹽氮被反硝化菌利用，從而抑制了AAOB活性。在污水處理系統(tǒng)中，為AAOB提供穩(wěn)定的亞硝酸鹽氮基質(zhì)一直是厭氧氨氧化應用的瓶頸。除了亞硝化反應，反硝化反應也是一種提供亞硝酸鹽氮的好方法。

2.2 厭氧氨氧化菌與反硝化菌在廢水處理中的應用現(xiàn)狀

SNAD工藝是一種新型的脫氮工藝，并因其優(yōu)越性得到了廣泛的應用。SNAD工藝建立了連續(xù)的生物反應過程，在這些過程中，微生物之間的生存過程會相互提供基質(zhì)。反硝化細菌可以將硝酸鹽氮還原成亞硝酸鹽氮，AOB能夠?qū)钡D(zhuǎn)化為亞硝酸鹽氮，部分反硝化和亞硝化反應都在為AAOB提供亞硝酸鹽氮。SNAD工藝主要缺點是反硝化作用是有限的，這導致處理水中硝酸鹽氮濃度較高。優(yōu)化SNAD工藝，控制反硝化細菌數(shù)量被認為是提高脫氮性能的關鍵要求。

3 厭氧氨氧化菌與厭氧甲烷氧化菌的關系及應用

3.1 厭氧氨氧化菌與厭氧甲烷氧化菌的關系

污水可能是增加溫室氣體（N2O，NO，CH4）的一個重要源頭，將氮元素有效地從廢水中去除，對于減緩全球溫室效應具有重要意義。依賴亞硝酸鹽/硝酸鹽的厭氧甲烷氧化（Nitrite/nitrate-dependent methane oxidation，N-damo）過程，可將廢水中的甲烷、亞硝酸鹽氮和硝酸鹽氮作為反應物，從而得以去除。反應式如下：

當AAOB與N-damo菌在同一系統(tǒng)下均以亞硝酸鹽氮為電子受體時，它們之間存在競爭關系。如果系統(tǒng)中氨含量過高，N-damo菌將會失去與AAOB的競爭能力，證明AAOB相較于N-damo菌具有更高的亞硝酸鹽親和力[8]。N-damo菌可以將甲烷轉(zhuǎn)化為二氧化碳，產(chǎn)生的二氧化碳可以成為AAOB的無機碳源。厭氧氨氧化反應產(chǎn)生的硝酸鹽氮，亦為N-damo提供硝酸鹽氮基質(zhì)。這種耦合最終將在厭氧條件下同時去除甲烷和氨氮，而不需要外部電子供體，AAOB和N-damo菌又表現(xiàn)出協(xié)同關系。在含有大量甲烷和氨氮的廢水處理系統(tǒng)中，筆者測試了N-damo菌和AAOB共存的可行性。結(jié)果表明，在運行161 d后，建立了N-damo菌和AAOB等量的培養(yǎng)物，而且轉(zhuǎn)化亞硝酸鹽速率為0.1 kg/（m3·d）（17.2 mmol/d），說明該共培養(yǎng)技術在脫氮方面的應用是可行的[9]。這兩種工藝的結(jié)合，將為污水處理系統(tǒng)的可持續(xù)發(fā)展提供更好的可能。

3.2 厭氧氨氧化細菌與厭氧甲烷氧化菌在廢水處理中的應用現(xiàn)狀

在污水處理系統(tǒng)中，將AAOB和N-damo菌共同培養(yǎng)可用于去除廢水中殘留的甲烷和硝酸鹽氮。有研究表明，使用AAOB和N-damo菌結(jié)合的工藝，可以在不增加曝氣的情況下有效去除出水中15%甲烷含量[10]。當亞硝酸鹽氮變得有限時，AAOB豐度可能會超過N-damo菌，因為厭氧氨氧化細菌對亞硝酸鹽底物具有更高的親和力。過高的亞硝酸鹽含量會嚴重抑制N-damo菌的活性，說明了亞硝酸鹽氮的過度累積會對N-damo菌有害。因此，AAOB和N-damo菌應用于污水處理系統(tǒng)中時，要嚴格地控制系統(tǒng)中的亞硝酸鹽氮濃度，才能更好地發(fā)揮系統(tǒng)的作用。另外，AAOB和N-damo菌生長緩慢，保持充足的生物量是至關重要的。膜生物反應器可以有效富集AAOB和N-damo菌，利用AAOB去除污水中氨氮和亞硝酸鹽氮，N-damo菌去除甲烷、殘留的亞硝酸鹽氮和硝酸鹽氮。

4 結(jié)論

AOB和AOA可以氧化氨氮為亞硝酸鹽氮，為AAOB提供反應基質(zhì)，表現(xiàn)出協(xié)同作用；AAOB和NOB最適宜的生境相異，并不會互相產(chǎn)生顯著的影響。反硝化菌對亞硝酸鹽的還原速率低于硝酸鹽產(chǎn)生亞硝酸鹽氮的速率，造成亞硝酸鹽氮的積累，為AAOB提供亞硝酸鹽氮；反硝化菌所需的另一種基質(zhì)有機物，能夠抑制厭氧氨氧化活性。AAOB與反硝化菌之間因環(huán)境不同，可能表現(xiàn)出協(xié)同或競爭關系。當AAOB與N-damo菌在同一系統(tǒng)下均以亞硝酸鹽氮為電子受體時，它們之間存在競爭關系。N-damo菌可以將甲烷轉(zhuǎn)化為二氧化碳，產(chǎn)生的二氧化碳可以成為AAOB的無機碳源。厭氧氨氧化反應產(chǎn)生的硝酸鹽氮，亦為N-damo提供硝酸鹽氮基質(zhì)，AAOB和N-damo菌又表現(xiàn)出協(xié)同關系。