污水生物脫氮處理中微生物的作用及應(yīng)用

污水生物脫氮處理中微生物的作用及應(yīng)用

1其他a、c、n三氧化衍生物及其產(chǎn)物氮元素是所有生物的基本養(yǎng)分之一，是蛋白質(zhì)的重要組成部分，在生命發(fā)育過程中起著重要作用。自然界中的氮元素以各種氧化和化學(xué)形態(tài)存在。它們可以很快轉(zhuǎn)化為土壤和海洋中的一些微生物。圖1顯示了人們現(xiàn)在熟悉的氮循環(huán)。硝化反應(yīng)是全球氮循環(huán)的一個(gè)關(guān)鍵過程,是指在好氧條件下將NH+4經(jīng)NO-2氧化為NO-3,該過程早在1890年被Winogradsky首次發(fā)現(xiàn)(Winogradsky,1890).傳統(tǒng)的硝化反應(yīng)涉及到2種微生物,即氨氧化菌(AOB,AmmoniaOxidationBacteria)和亞硝酸氧化菌(NOB,NitriteOxidationBacteria),它們均為自養(yǎng)菌.氨氧化過程中主要由2種酶參與,分別為氨單加氧酶(AMO,AmmoniaMonooxygenase)和羥胺氧化酶(HAO,Hydroxylamineoxidase);亞硝酸氧化過程由亞硝酸氧化還原酶(NOR,NitriteOxidoreductase)催化.除此,有機(jī)或無機(jī)氮還可以被異養(yǎng)硝化菌所氧化,異養(yǎng)硝化微生物包括細(xì)菌、放線菌、真菌以及藻類(Spilleretal.,1976).而反硝化是把NO-3或NO-2轉(zhuǎn)化為N2O或N2的還原過程,主要由兼性異養(yǎng)菌在無分子態(tài)氧的條件下(缺氧環(huán)境)來完成.反硝化過程中主要涉及到的關(guān)鍵酶依次有:硝酸鹽還原酶(Nar,Nitratereductase),亞硝酸還原酶(Nir,Nitritereductase),一氧化氮還原酶(Nor,Nitricoxidereductase),氧化亞氮還原酶(Nos,Nitrousoxidereductase).NO-3亦可通過發(fā)酵還原為NH+4,該過程被稱為硝酸鹽異養(yǎng)還原過程(Arrigo,2005).而厭氧氨氧化(Anammox,Anaerobicammoniaoxidation)是指在厭氧條件下NH+4與NO-2經(jīng)Anammox菌作用反應(yīng)生成N2的過程(Mulderetal.,1995).隨著對一些新過程和新型微生物的發(fā)現(xiàn),人們對于氮循環(huán)的認(rèn)識發(fā)生了一些明顯的變化.在過去的幾年里氮循環(huán)途徑被先后更新了2次,分別為自然界中Anammox菌和氨氧化古菌(AOA,Ammoniaoxidationarchaea)的發(fā)現(xiàn)(Francisetal.,2007).此外,對于異養(yǎng)硝化在氮循環(huán)中的作用也引起了一些學(xué)者的關(guān)注(Strooetal.,1986;Killham,1986).本文重點(diǎn)就異養(yǎng)硝化菌、厭氧氨氧化菌和氨氧化古菌的發(fā)現(xiàn)、生化機(jī)理及分子生物學(xué)等方面進(jìn)行綜述,旨在為今后人們重新認(rèn)識新的氮循環(huán)提供有用信息,并對這些新型微生物在污水生物處理中的應(yīng)用提出了一些展望和設(shè)想.2新微生物及其生態(tài)新微生物及其生態(tài)2.1l.4.2000異養(yǎng)硝化是指異養(yǎng)微生物在好氧條件下將還原態(tài)N(包括有機(jī)態(tài)N)氧化為NO-2和NO-3的過程(Alexander,1977).異養(yǎng)硝化微生物分布廣泛,除了大多數(shù)在酸性的林區(qū)土壤中發(fā)現(xiàn)外(Eylaretal.,1959;Schimeletal.,1984;Adams,1986;Stroo,1986;Dugginetal.,1991),現(xiàn)已在污泥(Verstraeteetal.,1972;Robertsonetal.,1983)、湖水(Witzeletal.,1979)、深?；鹕娇?Méveletal.,1998)等處也發(fā)現(xiàn)了異養(yǎng)硝化微生物.這些發(fā)現(xiàn)和研究均證實(shí)異養(yǎng)硝化作用在自然界的硝化過程中起著重要作用.近年來,在污水生物處理系統(tǒng)中發(fā)現(xiàn)的異養(yǎng)硝化菌主要有:Alcaligenessp.,Corynebacteriumsp.,Acinetobactersp.,Xanthomonassp.和Bacillusstrains(Castignettietal.,1981;Castignettietal.,1982;Kshirsagaretal.,1995;Huetal.,2000;Kimetal.,2005).異養(yǎng)硝化菌在代謝底物時(shí),有著與自養(yǎng)硝化菌相似的酶系統(tǒng),即先由氨單加氧酶催化氨氧化得到羥胺,然后由羥胺氧化酶催化進(jìn)一步氧化得到亞硝酸氮.氨單加氧酶和羥胺氧化酶就是異養(yǎng)硝化菌代謝過程中的關(guān)鍵酶,與之相對應(yīng)的是amo和hao基因(Hooperetal.,1997).異養(yǎng)硝化菌amo和hao基因的研究是建立在與自養(yǎng)硝化菌對應(yīng)基因相比較的基礎(chǔ)上.因菌株的不同,異養(yǎng)硝化細(xì)菌的amo、hao基因存在很大的差別.Pseudomonaputida的amo基因與自養(yǎng)硝化菌的amo基因具有較高的相似性(Daumetal.,1998),而ParacoccusdenitrificansPd1222的amo基因與自養(yǎng)硝化菌的amo基因存在較大的差異(Crossmanetal.,1997).自養(yǎng)和異養(yǎng)硝化菌的hao基因存在較大差別:異養(yǎng)硝化細(xì)菌的hao簡單的多,只是一個(gè)單體蛋白,一般不含血紅素,且羥胺氧化的電子受體不同.異養(yǎng)硝化菌種類繁多,并且其可以利用的基質(zhì)范圍廣泛,如銨、胺、酰胺、N-烷基羥胺、肟、氧肟酸及芳香硝基化合物等(Doxtaderetal.,1966),這使得異養(yǎng)硝化機(jī)理到目前仍不清楚,其代謝途徑也未被確定和證實(shí).以丙酮肟及其它一些肟類為有機(jī)底物研究異養(yǎng)硝化的有機(jī)代謝途徑時(shí),有研究者認(rèn)為異養(yǎng)硝化菌氧化丙酮肟存在2種代謝途徑(Castignettietal.,1982):一種是無機(jī)途徑,即丙酮肟先水解為羥胺和丙酮酸,羥胺再氧化為亞硝酸;另一種是有機(jī)途徑,即將丙酮肟直接氧化成亞硝酸.此外有研究者采用15N同位素跟蹤異養(yǎng)硝化的過程,發(fā)現(xiàn)異養(yǎng)菌對NH+4沒有作用,但能將有機(jī)氮直接氧化為NO-3,而跨過有機(jī)氮分解為NH+4、再氧化為NO-2兩步(Killham,1986;Pedersenetal.,1999);而另有實(shí)驗(yàn)室培養(yǎng)結(jié)果表明,異養(yǎng)硝化產(chǎn)生的NO-3直接來源于NH+4,可能省去了NH+4氧化為NO-2這一步(Stroo,1986).后來研究者又提出了一種硝化和反硝化偶聯(lián)機(jī)理的模型,該模型認(rèn)為硝化作用產(chǎn)生的電子大部分通過周質(zhì)電子傳遞用于還原亞硝酸鹽為N2,而不是伴隨跨質(zhì)膜的電子轉(zhuǎn)移(Wehrfritzetal.,1993;1997).這在一定程度上為一些異養(yǎng)硝化微生物硝化作用產(chǎn)物亞硝酸鹽積累偏低是因?yàn)楫愷B(yǎng)硝化作用和好氧反硝化的同時(shí)存在提供了分子學(xué)證據(jù).經(jīng)鑒定發(fā)現(xiàn),泛養(yǎng)硫球菌(Thiosphaerapantotropha)既具有好氧反硝化,又具有異養(yǎng)硝化功能,該菌是可以將由NH+4轉(zhuǎn)化的NO-2還原為N2的異養(yǎng)硝化細(xì)菌(Robertsonetal.,1988).迄今為止,異養(yǎng)硝化作用經(jīng)常用來說明在自養(yǎng)硝化微生物不能生長或未能檢測到的土壤中實(shí)際發(fā)生的硝化作用.土壤沉積物和熟土能夠釋放N2O和NO,研究者認(rèn)為可能與異養(yǎng)硝化細(xì)菌的異養(yǎng)硝化-反硝化有關(guān)(Robertsonetal.,1988;Bergmannetal.,1994;Pauletal.,1993).但是,對于異養(yǎng)硝化的機(jī)理及生理學(xué)意義目前還不是很清楚,今后應(yīng)深入研究異養(yǎng)硝化菌關(guān)鍵酶的分離、純化和基因表達(dá),以及電子傳遞途徑,并確定異養(yǎng)硝化過程在自然界氮素循環(huán)中的地位.此外,在一些污水處理系統(tǒng)中發(fā)現(xiàn)了異養(yǎng)硝化作用(Artsetal.,1992;Kuenenetal.,1994;Nishioetal.,1998;Jooetal.,2006),但異養(yǎng)硝化的處理能力不高,今后研究應(yīng)朝著如何強(qiáng)化和提高異養(yǎng)硝化菌在污水脫氮中的作用和貢獻(xiàn)等方向努力.2.2非生物自然環(huán)境法的anammox在生態(tài)環(huán)境中的發(fā)現(xiàn)和鑒別1977年Broda從化學(xué)熱力學(xué)出發(fā),大膽預(yù)言了Anammox過程的存在(Brode,1977).1995年,荷蘭的Mulder等發(fā)現(xiàn)NH+4可以作為電子供體直接將NO-2反硝化為N2,這個(gè)過程被定義為Anammox過程(Mulderetal.,1995;VandeGraafetal.,1996).Anammox過程最初是從一中試反硝化流化床中發(fā)現(xiàn)的,在該系統(tǒng)中,一類高度富集的罕見自養(yǎng)微生物占主導(dǎo)地位,在以NO-2作為電子受體情況下,其最大氨氧化速率為55nmol·min-1·mg-1(以單位蛋白質(zhì)計(jì)).由于Anammox菌特殊的生化代謝模型和生理特性,引起了各國學(xué)者的廣泛關(guān)注,但起初人們猜測Anammox菌在氮循環(huán)中所起的作用比較小,并不是關(guān)鍵微生物.然而,2002年Thamdrup等的研究表明,在海洋沉積物中大約有24%～67%損失的氮是由Anammox作用造成的(Thamdrupetal.,2002).2003年2次平行試驗(yàn)又充分表明,海洋中的氮損失明顯與Anammox過程有關(guān)(Dalsgaardetal.,2003;Kuypersetal.,2003).在黑海海底好氧與缺氧交界處和哥斯達(dá)黎加一海灣海底中大約有20%～40%的氮損失源自于Anammox反應(yīng),而且近期的研究顯示,海洋中甚至更高比例的氮損失是由Anammox過程造成的(Kuypersetal.,2005;Hamersleyetal.,2007).這些發(fā)現(xiàn)解釋了困惑研究者多年的有關(guān)全球氮循環(huán)和氮通量計(jì)算中氮不平衡的疑問.目前,Anammox過程已在很多生態(tài)環(huán)境中發(fā)現(xiàn),包括海洋、海岸和江口的沉積物(Thamdrupetal.,2002;Trimmeretal.,2003;Risgaard-Petersenetal.,2004;Engstr?metal.,2005;Rysgaardetal.,2004a),海冰(Rysgaardetal.,2004b),淡水湖(Schubertetal.,2006)以及永凍層土壤中(Pentonetal.,2006).目前已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了5個(gè)屬的Anammox菌,最早發(fā)現(xiàn)的Anammox菌被臨時(shí)定名為Candidatus“Brocadiaanammoxidans”(Jettenetal.,1999),后來又先后發(fā)現(xiàn)了Candidatus“Kueneniastuttgartiensis”(Schmidetal.,2000)、Candidatus“Scalinduasorokinii”(Kuypersetal.,2005)、Candidatus“Scalinduabrodae”和Candidatus“Scalinduawagneri”(Schmidetal.,2003).這些Anammox菌除了分布廣外,還具有代謝途徑多的特點(diǎn).VandeGraaf等(1997)利用15N同位素標(biāo)記技術(shù)研究了Anammox的可能代謝途徑.研究表明,作為電子受體的NO-2被還原為羥胺(NH2OH),羥胺可以與電子供體NH+4反應(yīng)形成N2.整個(gè)過程見圖2,氨(NH3)和羥氨(NH2OH)在聯(lián)胺水解酶(HH)的作用下形成聯(lián)胺(N2H4).N2H4在聯(lián)胺氧化酶(HZO)作用下被氧化生成N2,并產(chǎn)生4個(gè)質(zhì)子和4個(gè)電子.這4個(gè)電子和來自核糖體的5個(gè)質(zhì)子在亞硝酸鹽還原酶的作用下把NO-2還原為NH2OH.Anammox過程形成一跨膜的質(zhì)子梯度,由質(zhì)子梯度形成的化學(xué)勢能和電勢能驅(qū)動質(zhì)子通過結(jié)合與厭氧氨氧化單體(anammoxosome)膜上的ATP合酶產(chǎn)生ATP.此外,Anammox菌還能在氧化一些有機(jī)酸的同時(shí),將NO-3還原至NH+4.研究者發(fā)現(xiàn),Candidatus“Anammoxoglobuspropionicus”可以競爭過其它的Anammox菌和異養(yǎng)反硝化菌,能在NH+4、NO-2和NO-3同時(shí)存在的條件下將丙酸氧化(Kartaletal.,2007a);而“Kueneniastuttgartiensis”具有硝酸鹽異養(yǎng)還原(DNRA)能力,能在NH+4濃度為10mmol·L-1的條件下將NO-3還原至NH+4(Kartaletal.,2007b).不管DNRA是由Anammox菌來完成還是由其它專性厭氧菌來完成,DNRA過程都能為Anammox過程提供底物氨氮.提供的氨氮最終將會以氮?dú)獾男问结尫?因此,缺氧環(huán)境中的氮損失有可能是由Anammox來完成的,但通常整個(gè)過程將會被認(rèn)為是反硝化反應(yīng).目前,已經(jīng)在本格拉港口的上升流中證實(shí)發(fā)生了DNRA過程,水體中Anammox菌有效地去除了大量的氮(Kartaletal.,2007b).由于DNRA-Anammox組合過程和反硝化過程的效果相同,很難用傳統(tǒng)的同位素追蹤法來區(qū)分,還需借助其它的追蹤技術(shù)或基因標(biāo)記來研究自然界發(fā)生的DNRA-Anammox組合過程.盡管在“Kueneniastuttgartiensis”體內(nèi)得到的部分純化鈣依賴型細(xì)胞色素c能將NO-2快速還原為NH+4,并且在其體內(nèi)鑒定出了該種酶的候選基因(Kartaletal.,2007b),然而到目前還沒有建立用來分析環(huán)境中Anammox菌的標(biāo)記基因.Anammox反應(yīng)的關(guān)鍵酶之一是位于厭氧氨氧化單體上的HZO,HZO和一些潛在基因已經(jīng)在相關(guān)微生物體內(nèi)得到了鑒定(Shimamuraetal.,2007).一旦確定這些功能基因和Anammox菌具有明確的對應(yīng)關(guān)系,則分析Anammox菌功能基因的豐度及基因表達(dá)將會變成可能.目前對于Anammox在氮循環(huán)中的貢獻(xiàn)以及該菌種的一些生態(tài)特性仍不是十分清楚.各種生態(tài)系統(tǒng)中的Anammox菌必須生活在氧氣受限的條件下(如:好氧和缺氧的交界處),是不是Anammox和AOB能共存于自然界中同一微生境中,這需要進(jìn)一步的研究.迄今為止,Anammox對于全球范圍內(nèi)氮損失的貢獻(xiàn)大小,及其自然界中一些環(huán)境中氮的損失是不是確實(shí)由Anammox造成的,這些問題還沒得到明確證實(shí)和研究.此外,未見采用N標(biāo)記法來驗(yàn)證海洋中最低含氧帶中的硝酸鹽是被異養(yǎng)反硝化菌轉(zhuǎn)化為氮?dú)獾难芯繄?bào)道,而大多研究將這些地區(qū)的氮損失歸因于Anammox(Kuypersetal.,2005;Hamersleyetal.,2007;Thamdrupetal.,2006),依此可推知在海洋中可能大約有30%～50%的氮損失就是由Anammox所致.2.3n.roitmovi及nh/no-2/10的結(jié)構(gòu)分析隨著對厭氧氨氧化菌和厭氧氨氧化反應(yīng)深入研究的同時(shí),一種特殊的嗜溫泉古菌(Crenarchaeota)在氮循環(huán)過程中所起的重要作用被逐漸發(fā)現(xiàn)和認(rèn)識.Crenarchaeota作為古細(xì)菌家族中的主要成員和世界海洋中的主流浮游菌,它們在全球地球化學(xué)循環(huán)中扮演著一個(gè)主要角色.先前的觀點(diǎn)認(rèn)為古菌一般為極端微生物,而后來發(fā)現(xiàn)嗜溫古菌也是海洋浮游生物中一種普遍生存的古菌(DeLong,1992;Fuhrmanetal.,1992).Crenarchaeota具有分布廣的特點(diǎn),除了生長于海洋外,其16SrRNA測序結(jié)果顯示,Crenarchaeota存活于大多數(shù)中溫環(huán)境中,包括森林、農(nóng)田、草地、高山土壤(Bintrimetal.,1997;Jürgensetal.,1997;Buckleyetal.,1998;Nicoletal.,2005)、淡水(Jürgensetal.,2000).然而,自從它們于10年多以前被發(fā)現(xiàn)之后,其生理學(xué)特性一直是個(gè)謎,主要是因?yàn)椴豢赡茉趯?shí)驗(yàn)室中培養(yǎng)它們.據(jù)近期報(bào)道,研究人員成功分離出了這些難以捉摸的細(xì)菌中的一種(N.maritimus),它原來是一種硝化菌,能夠從將NH+4氧化成NO-2的過程中獲得能量(K?nnekeetal.,2005).并通過對N.maritimus的培養(yǎng)研究,明確了amoA基因與古菌氨氧化之間的關(guān)系.化能自養(yǎng)型的N.maritimus可通過氧化NH+4至NO-2而得到生長,并且以重碳酸鹽作為唯一碳源.16SrRNA系統(tǒng)發(fā)育分析表明,N.maritimus屬于1.1a泉古菌(見圖3)(Schleperetal.,2005;Nicoletal.,2006),1.1a泉古菌大多包含能氧化氨氮的3種amo基因(amoA,amoB和amoC).后來又發(fā)現(xiàn),古菌的這種amoA基因普遍存在于海洋中,包括強(qiáng)光帶、深層缺氧區(qū)以及海洋和江口的沉積物中(Francisetal.,2005);人們首次意識到海洋泉古菌很可能具有氨氧化的能力,并將其鑒定為氨氧化古菌(Ammonia-oxidizingarchaea,AOA)(Francisetal.,2005).除此,對取自不同環(huán)境和地方的上百個(gè)古菌的amoA基因進(jìn)行系統(tǒng)發(fā)育分析后發(fā)現(xiàn),AOA具有豐富的生物多樣性,水體中和沉積物中AOA的amoA基因很少有重疊相似的(Purkholdetal.,2000).這一點(diǎn)完全有別于氨氧化細(xì)菌(Nitrosomonas,Nitrosospira和Nitrosococcus),普通氨氧化細(xì)菌的amoA基因數(shù)相對較少.隨著近2年研究的不斷深入,人們對AOA的認(rèn)識也逐漸加深和完善.基于對土壤微生物的amoA基因表達(dá)的定量研究表明,amoA基因表達(dá)會隨著NH+4濃度的增高而增多,說明AOA在自然環(huán)境中表現(xiàn)出了相當(dāng)?shù)幕钚?Treuschetal.,2005).此外,研究人員在實(shí)驗(yàn)室10℃條件下從寄生的宿主海綿上分離出了Cenarchaeumsymbiosum.通過對C.symbiosum的基因組序列和來自不同海洋自然環(huán)境的標(biāo)本提取的基因組序列進(jìn)行比較,發(fā)現(xiàn)C.symbiosum與浮游泉古菌在基因組序列的一些元素有許多相似之處.一系列研究證據(jù)表明,作為海洋共生系統(tǒng)的重要組成部分,它們的生存與水中NO-2濃度較高有關(guān),那么這種浮游泉古菌就可能是通過這種化能自養(yǎng)途徑來同化碳,并且它們利用將NH+4氧化成NO-2的過程中獲得能量.并對該菌種進(jìn)行的宏基因組學(xué)分析發(fā)現(xiàn),在其體內(nèi)除了鑒定含有amoA、amoB和amoC外,還具有氨氮透性酶、脲酶、尿素轉(zhuǎn)運(yùn)系統(tǒng),以及亞硝酸還原酶和NO還原輔助蛋白,這些特征都與化能自養(yǎng)的氨氧化過程相關(guān)(Hallametal.,2006a,2006b).但是,并沒有從C.symbiosum細(xì)胞內(nèi)鑒定出微生物氨氧化二級酶催化過程中涉及到的羥氨氧還酶和細(xì)胞色素c554和c552,如果C.symbiosum確實(shí)具有氨氧化的能力,這有可能意味著在二級酶催化過程中C.symbiosum和AOB所采用的途徑不同.為了證實(shí)這種可能性的存在,研究者們找到了一些候選基因,這些基因可能代替了沒有發(fā)現(xiàn)的這些酶來發(fā)揮作用,另外這些替代基因可以防止在氨的氧化過程中產(chǎn)生有毒性的NO-2(Klotzetal.,2006).對C.symbiosum能量代謝和碳的同化作用進(jìn)行的研究表明,該菌既具有嚴(yán)格自養(yǎng)的功能,又具有同時(shí)利用CO2和有機(jī)碳作為碳源的功能(Hallametal.,2006a;2006b).鑒于海洋中的Crenarchaeota數(shù)量龐大,且很多又是AOA,因此,自然界中的AOA豐度很可能比AOB高很多(Leiningeretal.,2006;Wuchteretal.,2006).在西歐北海和北大西洋中,古菌的amoA基因拷貝數(shù)是β-Proteobacteria中的amoA基因拷貝數(shù)的10-1000倍(Wuchteretal.,2006).人們曾普遍推測,專門進(jìn)行硝化作用的細(xì)菌是土壤中在好氧條件下氧化氨的主要微生物.而對來自3個(gè)不同氣候帶的12種不同土壤類型中提取的amoA基因豐度所做的分析表明,氨氧化古菌的amoA基因數(shù)量要比氨氧化細(xì)菌的amoA基因數(shù)量多3000倍(Leiningeretal.,2006).反轉(zhuǎn)錄的定量PCR研究和互補(bǔ)DNA分析明確給出了AOA的原位表達(dá)活性,并表明AOA的數(shù)量明顯多于AOB.據(jù)此可推測,古菌在海洋和土壤中的氨氧化過程中可能居主導(dǎo)地位.3關(guān)于anammox菌和aoa的微生物特性及財(cái)務(wù)意義只有在綜合考慮了包括異養(yǎng)硝化、Anammox和古菌氨氧化這些新過程及對應(yīng)的新型微生物的基礎(chǔ)上,尤其當(dāng)這些微生物在利用普通底物共存的情況下,才能建立完整的、新的氮循環(huán),這需要不同領(lǐng)域內(nèi)學(xué)者們共同的努力.就目前的研究來看,雖然異養(yǎng)硝化作用在自然生境中的存在雖已基本得到認(rèn)同,但其在土壤硝化作用和自然界N素循環(huán)中的地位尚存在爭議,有待于進(jìn)一步明確.而Anammox菌是借助于生物地球化學(xué)發(fā)現(xiàn)的,人們正在努力研究Anammox菌的生化模型和功能基因.而恰恰相反,存在于自然環(huán)境中的AOA是借助于功能基因才得以鑒定和發(fā)現(xiàn)的,迄今為止有關(guān)AOA對生物地球化學(xué)中氮的轉(zhuǎn)化和循環(huán)的貢獻(xiàn)還不太清楚.而且,大氣中溫室氣體N2O的分布很可能嚴(yán)重受AOB、反硝化菌和AOA等微生物的影響,這些微生物都具有產(chǎn)生N2O過程時(shí)需要的一氧化氮還原酶.目前,Anammox菌被認(rèn)為也能產(chǎn)生N2O.因此,鑒于Anammox菌和AOA的這些特性,需重新審視如何產(chǎn)生N2O,在哪以及為什么產(chǎn)生N2O等問題.盡管AOA被初步認(rèn)定為好氧的氨氧化微生物,但古細(xì)菌通常在低溶解氧條件下也能生長.而且在黑海的相同深度處發(fā)現(xiàn)了Anammox菌和AOA,是否因此可推測在低溶解氧條件下二者存在競爭溶解態(tài)NH+4的關(guān)系,或者存在AOA為Anammox菌提供NO-2的共生關(guān)系?例如對于CANON(經(jīng)亞硝酸鹽的完全自養(yǎng)脫氮,CompletelyAutotrophicNitrogenremovalOverNitrite)工藝,AOB不僅為Anammox菌體提供了底物NO-2,而且通過消耗O2為Anammox菌提供了微缺氧環(huán)境,是不是AOA像AOB一樣也能為Anammox菌提供底物NO-2?雖然上述有些問題的答案已初見端倪,但有關(guān)Anammox菌和AOA的微生物生態(tài)學(xué)研究仍將是今后的熱點(diǎn)問題,也是全面認(rèn)識氮循環(huán)的基礎(chǔ).近年來很多學(xué)者也開始越來越關(guān)注新型微生物,但仍然存在一系列問題亟待解決.比如:Anammox菌和AOA與AOB和普通異養(yǎng)菌相比,它們的生物多樣性、豐度、活性如何?當(dāng)環(huán)境中的氮、氧、光強(qiáng)和鹽度等發(fā)生變化或出現(xiàn)梯度時(shí),Anammox菌、AOA和AOB的生態(tài)型響應(yīng)如何?傳統(tǒng)的反硝化引起的氮損失比例居于第幾位?在大多數(shù)環(huán)境條件下,Anammox菌的豐度明顯大于AOB,該現(xiàn)象是普遍存在還是偶然現(xiàn)象?如果能弄清楚這些問題,對于構(gòu)建新的氮循環(huán)將具有重要的意義(Francisetal.,2007).4新防疫處理中使用的一些假設(shè)4.1snd質(zhì)構(gòu)特性借助于這些新菌種的發(fā)現(xiàn),從事水污染控制研究的學(xué)者開發(fā)了很多新的工藝.SND(同步硝化反硝化,SimultaneousNitrificationandDenitrification)由于具有簡化生物脫氮工藝流程、節(jié)省外碳源和能補(bǔ)償硝化所需堿度等優(yōu)點(diǎn),引起了廣泛的關(guān)注(Kelleretal.,1997;Helmeretal.,1998).對于SND的解釋有2種觀點(diǎn),微環(huán)境觀點(diǎn)和微生物觀點(diǎn).微環(huán)境的觀點(diǎn)認(rèn)為,在DO比較低的宏觀好氧條件下,由于存在傳質(zhì)阻力,在活性污泥菌膠團(tuán)絮體的不同深度,存在缺氧和好氧兩種微環(huán)境類型,異養(yǎng)菌、硝化菌和反硝化菌分別占據(jù)適宜的生態(tài)位,系統(tǒng)通過自養(yǎng)硝化菌和缺氧反硝化菌的協(xié)同作用實(shí)現(xiàn)同步硝化反硝化生物脫氮(Pochanaetal.,1999;Hibiyaetal.,2003).有別于微環(huán)境解釋,微生物觀點(diǎn)認(rèn)為,SND主要是異養(yǎng)硝化菌和好氧反硝化菌共同作用的結(jié)果(Robertsonetal.,1983;1988;Artsetal.,1992;Baumannetal.,1996).異養(yǎng)硝化菌的發(fā)現(xiàn)為SND的微生物解釋提供了充分的微生物依據(jù).目前,在一些污水處理反應(yīng)器中發(fā)現(xiàn)了異養(yǎng)硝化菌,并且一些學(xué)者正在研究如何培養(yǎng)和富集異養(yǎng)硝化菌來實(shí)現(xiàn)污水中氮的去除.但是,與自養(yǎng)硝化過程相比,異養(yǎng)硝化速率相對較低,如何提高異養(yǎng)硝化的速率有待進(jìn)一步研究.今后的研究應(yīng)著重于污水處理系統(tǒng)中如何更有效的培養(yǎng)和富集異養(yǎng)硝化菌,以達(dá)到強(qiáng)化同步硝化反硝化的目的.4.2水處理工藝流程及優(yōu)化對于Anammox菌起初就是在污水處理系統(tǒng)中發(fā)現(xiàn)的,目前Anammox工藝也從實(shí)驗(yàn)室小試規(guī)模的研究轉(zhuǎn)向了生產(chǎn)規(guī)模的實(shí)際應(yīng)用.在荷蘭的DOKHAVEN污水處理廠,已成功應(yīng)用Anammox工藝來處理污泥消化液(Fuxetal.,2002).基于Anammox原理,目前開發(fā)的新工藝主要有OLAND(限氧自養(yǎng)硝化-反硝化,OxygenLimitedAutotrophicNitrificationandDenitrification)、CANON以及SHARON+Anammox組合工藝(SHARON:SinglereactorforHighactivityAmmoniaRemovalOverNitrite).OLAND工藝是1998年由比利時(shí)根特大學(xué)微生物生態(tài)實(shí)驗(yàn)室開發(fā)研制的,是短程硝化與厭氧氨氧化相耦合的生物脫氮新工藝(Kuaietal.,1998).該工藝通過控制溶解氧在0.1～0.3mg·L-1下運(yùn)行,來實(shí)現(xiàn)硝化階段亞硝酸鹽的穩(wěn)定積累.由荷蘭Delft大學(xué)