厌氧氨氧化菌的中心代谢研究进展

摘要: 厌氧氨氧化是以NH +4为电子供体,以NO－2为电子受体产生N2的生物反应。厌氧氨氧化菌是厌氧氨氧化过程的执行者,在废水生物脱氮和地球氮素循环中扮演着重要角色。研究厌氧氨氧化菌的代谢特性,将有助于理解厌氧氨氧化过程,开发厌氧氨氧化工艺。厌氧氨氧化菌是化能自养型细菌,以CO2或HCO－3为碳源,并通过偶联NH+4氧化和NO －2还原的生物反应获得能量。在NH+4/NO－2的生物氧化还原反应过程中,检出了中间产物N2H4,但未检出其他中间产物(如NH2OH、NO)。此外,由基因组信息推断,厌氧氨氧化菌     

厌氧氨氧化菌特性及其在生物脱氮中的应用

在无分子氧环境中,同时存在NH4^＋和NO2^-时,NH4^＋作为反硝化的无机电子供体,NO2^-作为电子受体,生成氮气,这一过程称为厌氧氨氧化。目前已经发现了3种厌氧氨氧化菌（Brocadia anammoxidans,Kuenenia stuttgartiensis,Scalindua sorokinii）;对厌氧氨氧化菌的细胞色素、营养物质、抑制物、结构特征和生化反应机理的研究表明,厌氧氨氧化菌具有多种代谢能力。基于部分硝化至亚硝酸盐,然后与氨一起厌氧氨氧化,以及厌氧氨氧化菌与好氧氨氧化菌或甲烷菌的协同耦合作用,提出了几种生物脱氮的新工艺（ANAMMOX、SHARON—ANAMMOX、CANON和甲烷化与厌氧氨氧化耦合工艺）。     

基于数据库分析不同类型生境中厌氧氨氧化细菌的多样性分布特征

【目的】厌氧氨氧化过程是一种能在厌氧条件下氧化NH4+同时还原NO2–或者NO3–生成N2的过程,是氮素循环过程的重要途径之一。厌氧氨氧化过程由厌氧氨氧化细菌催化完成,目前通过分子生物学的手段已证实了厌氧氨氧化细菌存在于多种类型的生境中,本文对厌氧氨氧化细菌在不同类型生境中的多样性分布规律进行了系统分析。【方法】基于NCBI数据库中厌氧氨氧化细菌的16SrRNA基因序列,利用Mothur分析平台系统分析了厌氧氨氧化细菌在不同生境中的多样性分布规律和特征。【结果】分析表明,海洋环境中Ca. Scalindua属的厌氧氨氧化细菌占绝对主导;淡水和农业土壤中Ca. Brocadia属的厌氧氨氧化细菌占优势;工程系统中普遍存在Ca. Brocadia和Ca. Kuenenia属的厌氧氨氧化细菌;而湿地和河口环境中厌氧氨氧化细菌多样性最高,Ca. Scalindua、Ca. Brocadia和Ca. Kuenenia属的厌氧氨氧化细菌均有较高的相对丰度,显示出了陆地与海洋交汇的显著特征。【结论】本研究系统展示了不同的生境中厌氧氨氧化细菌的多样性群落结构生境分布特征,表明环境特征差异直接影响了厌氧氨氧化细菌的种群分布和系统演化。     

自然生态系统中的厌氧氨氧化

厌氧氨氧化（anaerobic ammonium oxidation,anammox）是由anammox菌在缺氧条件下以氨为电子供体、以亚硝酸为电子受体的生物反应,反应产物为氮气,该反应的发现为全球氮素循环增添了新的内容。参与anammox反应的微生物是anammox菌,anammox菌是一群分支很深的浮霉状菌,目前已发现的anammox菌有5个属8个种。催化anammox反应的是一特殊的细胞结构-厌氧氨氧化体,每种已发现的anammox菌中都存在该特殊结构。有关anammox反应的生化机理目前普遍认为,NO和联氨（N2H4）是anammox反应的重要中间体,NO可将NH4 直接氧化,形成N2H4,N2H4在联氨氧化酶的作用下最终转化为氮气。Anammox最初发现于人工脱氮系统,已发现的8种anammox菌中7种来自于人工系统。但越来越多的证据表明,anammox菌广泛分布于自然界的海洋、淡水和陆地生态系统中,在区域氮素循环中起着不同程度的作用。影响自然生态系统中anammox反应的主要环境因子包括有机质含量、NO3-浓度和盐度等,但在不同的生态系统,anammox反应的主导影响因子存在较明显差异。本文综述了anammox菌的类群和生化反应机理,总结了anammox菌在各种自然生态系统中的分布与生态多样性,并论述了anammox反应在全球氮素循环中的重要性以及影响此过程发挥的主要环境因子。     

厌氧氨氧化细菌的研究进展

厌氧氨氧化是指微生物在无氧条件下,以NO_2~–为电子受体,将NH_4~+氧化成N_2的过程,该过程主要由浮霉菌门下的厌氧氨氧化细菌参与。厌氧氨氧化细菌广泛存在于海洋生态系统、淡水生态系统、陆地生态系统及其他一些特殊生境中,其在废水生物脱氮和地球氮循环中扮演着重要角色。本文从厌氧氨氧化细菌的发现历程、种类、特性、代谢途径、分布、检测方法及应用上进行了较为全面的总结;最后对厌氧氨氧化细菌研究前沿问题和未来发展方向进行了探讨与展望。     

硝酸盐和硫酸盐厌氧氧化甲烷途径及氧化菌群

甲烷属于温室气体,厌氧氧化甲烷有效地减少了大气环境中甲烷的含量。依据吉布斯自由能变,以SO42、Mn4+、Fe3+、NO3等作为电子受体,厌氧条件下甲烷可以转化为CO2。重点阐述以SO42和NO3为电子受体时甲烷厌氧氧化的机理、反应发生的环境条件以及甲烷厌氧氧化菌的特点。针对目前研究存在的主要问题,提出了今后的发展方向。SO42为电子受体时,甲烷厌氧氧化的可能途径包括:逆甲烷生成途径、乙酰生成途径以及甲基生成途径。甲烷的好氧或厌氧氧化协同反硝化是以NO3为电子受体的甲烷氧化的可能途径。环境中的甲烷、硫酸盐或硝酸盐的浓度,有机质的数量,以及环境条件对甲烷的厌氧氧化有显著影响。     

降氨除臭芽孢杆菌的筛选鉴定及其氮素迁移过程

【目的】分离和鉴定一株高效降氨除臭芽孢杆菌,并研究其氮素迁移过程。【方法】采用自行设计的筛选平台,根据菌落形态、生理生化特征及16S rRNA基因序列的系统进化树分析进行菌株鉴定;在好氧和厌氧条件下,以NH4+-N为唯一氮源,通过检测NH4+-N、NO2?-N、NO3?-N和产生的气体浓度,明确菌株在降氨过程中氮素的迁移过程及特点。【结果】筛选出一株高效降氨除臭芽孢杆菌,经生化与分子鉴定为凝结芽孢杆菌;其在好氧条件下将NH4+-N降解为NO3?-N,降解率为98%;同时少量NO3?-N经好氧反硝化作用还原为N2;在厌氧条件下进行了硝化作用,但NH4+-N降解率仅为23.7%,且反硝化过程不明显。【结论】筛选得到的高效降氨除臭凝结芽孢杆菌在好氧和厌氧条件下皆具有异养硝化作用,但厌氧条件下反硝化作用不显著,好氧反硝化作用产生的含氮气体为氮气,其在农业和环保领域具有巨大的产业化潜力。     

流加菌种对厌氧氨氧化工艺的影响

厌氧氨氧化工艺具有很高的容积氮去除速率,现已成功应用于污泥压滤液等含氨废水的脱氮处理,容积氮去除速率高达9.5 kg/(m3·d)。但由于厌氧氨氧化菌为自养型细菌,生长缓慢,对环境条件敏感,致使厌氧氨氧化工艺启动时间过长,运行容易失稳,并且不适合处理有机含氨废水和毒性含氨废水,极大地限制了该工艺的进一步推广应用。为了克服厌氧氨氧化工艺实际应用中存在的问题,结合发酵工业中常用的菌种流加技术,提出了一种新型的菌种流加式厌氧氨氧化工艺,研究了该新型工艺在厌氧氨氧化工艺的启动过程、稳定运行以及处理有机含氨废水和毒性含氨废水等方面的应用情况。结果表明,通过向反应器内补加优质厌氧氨氧化菌种,可提高厌氧氨氧化菌数量及其在菌群中的比例,强化厌氧氨氧化功能。据此研发的菌种流加式厌氧氨氧化工艺不仅可以实现快速启动,而且可以稳定运行,并突破了有机物和毒物所致的运行障碍,拓展了厌氧氨氧化工艺的应用范围。     

厌氧氨氧化在污水处理中的研究进展

厌氧氨氧化(ANAMMOX)是指厌氧氨氧化细菌在厌氧条件下以亚硝酸盐为电子受体将氨氮氧化为氮气的过程。由于在节能降耗和环境友好上的独特优点,基于厌氧氨氧化原理的脱氮技术被公认是目前最具应用前景的生物脱氮技术,因此自发现以来一直是国内外研究的热点。综述近年有关厌氧氨氧化细菌、厌氧氨氧化机理、反应的影响因素及其在污水处理应用方面的研究进展,并展望厌氧氨氧化在污水处理领域的发展方向。     

滇池沉积物中厌氧氨氧化细菌分布的时空差异

正厌氧氨氧化作用(Anaerobic Ammonia Oxidation,Anammox)是细菌在厌氧条件下,以NO_2~-为电子受体,以铵离子为电子供体的氧化还原反应[1]。厌氧氨氧化细菌的生长极为缓慢,只能在高菌体浓度时才显示其氨氧化活性,且对氧的存在十分敏感,所以传统的微生物纯化、分离和培养的方法并不适用于厌氧氨氧化细菌。由于微生物可培养技术的局限性,因此实时荧光定量PCR技术成为定量描述难培养微生物分布和丰度的有力手段[2]。宋亚娜等[3]。利用荧光定量PCR方法对土壤中厌氧氨氧化细菌进行了检测,但对于高原湖泊底泥中厌氧氨氧化细     

Anammox bacteria enrichment in upflow anaerobic sludge blanket (UASB) reactor

We investigated the anaerobic ammonium oxidation (anammox) reaction in a labscale upflow anaerobic sludge blanket (UASB) reactor. Our aim was to detect and enrich the organisms responsible for the anammox reaction using a synthetic medium that contained low concentrations of substrates (ammonium and nitrite). The reactor was inoculated with granular sludge collected from a full-scale anaerobic digestor used for treating brewery wastewater. The experiment was performed during 260 days under conditions of constant ammonium concentration (50 mg NH₄/⁺-N/L) and different nitrite concentrations (50∼150 mg NO₂-N/L). After 200 days, anammox activity was observed in the system. The microorganisms involved in this anammox reaction were identified as CandidatusB. Anammoxidans andK. Stuttgartiensis using fluorescencein situ hybridization (FISH) method.     

厌氧氨氧化体的组成、结构与功能

厌氧氨氧化(Anammox)是微生物和环境领域的研究热点之一。厌氧氨氧化菌(AnAOB)是Anammox的功能载体。不同于大部分原核微生物,AnAOB具有独特的细胞器——厌氧氨氧化体,它是进行Anammox代谢的场所。研究厌氧氨氧化体有助于探明厌氧氨氧化菌的代谢特性。本文综述了厌氧氨氧化体的组成、结构与功能,以期为从事Anammox研究的同行提供参考。     

厌氧氨氧化膨胀床反应器的运行性能

试验研究了以竹炭为载体的厌氧氨氧化膨胀床反应器的运行性能.接种反硝化污泥,用模拟废水可成功启动该反应器:运行至144 d时,容积总氮去除率达到3.02 kg N/m3/d.这是国内文献报道的最高水平.动力学分析表明.这种反应器的最大容积总氮去除率可迭12.77 kg N/m3/d.具有很大的脱氮潜能.反应器的启动过程可分为菌体自溶、活性延滞和活性提高三个阶段.与此相应,污泥性状也从黄褐色絮状污泥变为棕灰色颗粒污泥和红色颗粒污泥.红色颗粒污泥以杆茵和球菌为主.厌氧氨氧化活性可达0.56mg TN/(mgprotein)/h,它们是反应器厌氧氨氧化功能的主要承载者.     

厌氧氨氧化菌的物种多样性与生态分布

厌氧氨氧化是微生物和环境领域的重大发现,厌氧氨氧化可同时去除氨氮和亚硝氮,在环境工程上具有重大开发价值.由于厌氧氨氧化菌生长极慢,倍增时间长达11 d以上,严重制约了该反应的开发进程,因此,对厌氧氨氧化菌的研究具有重要意义.厌氧氨氧化菌种类丰富,除了人们最早认识的浮霉状菌外,还有硝化细菌和反硝化细菌,这些菌群生态分布广泛,为开辟新的厌氧氨氧化菌种资源创造了条件.硝化细菌和反硝化细菌兼有厌氧氨氧化能力,其代谢多样性为加速厌氧氨氧化反应器的启动提供了依据.厌氧消化污泥可呈现硫酸盐型厌氧氨氧化活性,可为新型生物脱氮工艺的研发奠定基础.探明厌氧氨氧化菌种资源及其生态分布,将有利于厌氧氨氧化的开发应用.     

Combined anaerobic ammonium and methane oxidation for nitrogen and methane removal

Anammox (anaerobic ammonium oxidation) is an environment-friendly and cost-efficient nitrogen-removal process currently applied to high-ammonium-loaded wastewaters such as anaerobic digester effluents. In these wastewaters, dissolved methane is also present and should be removed to prevent greenhouse gas emissions into the environment. Potentially, another recently discovered microbial pathway, n-damo (nitrite-dependent anaerobic methane oxidation) could be used for this purpose. In the present paper, we explore the feasibility of simultaneously removing methane and ammonium anaerobically, starting with granules from a full-scale anammox bioreactor. We describe the development of a co-culture of anammox and n-damo bacteria using a medium containing methane, ammonium and nitrite. The results are discussed in the context of other recent studies on the application of anaerobic methane- and ammonia-oxidizing bacteria for wastewater treatment.     

湖泊氮素氧化及脱氮过程研究进展

自然界中氮的生物地球化学循环主要由微生物驱动,由固氮作用、硝化作用、反硝化作用和氨化作用来完成。过去数十年间,随着异养硝化、厌氧氨氧化和古菌氨氧化作用的发现,人们对环境中氮素循环认识逐步深入,提出了多种脱氮途径新假说。对湖泊生态系统中氮素的输入、输出及其在水体、沉积物和水土界面的迁移转化过程进行了概括,对湖泊生态系统中反硝化和厌氧氨氧化脱氮机理及脱氮效率的最新研究进展进行了探讨,并对以后的氮素循环研究进行了展望。     

Novel microbial nitrogen removal processes

The present-day wastewater treatment practices can be significantly improved through the introduction of new microbial treatment technologies. Recently, several new processes for nitrogen removal have been developed. These new nitrogen removal technologies provide practicable options for treating nitrogen-laden wastewaters. The new processes are based on partial nitrification of ammonium to nitrite combined with anaerobic ammonium oxidation. These processes include the single reactor system for high ammonia removal over nitrite (SHARON) process, which involves part conversion of ammonium to nitrite; the anaerobic ammonium oxidation (ANAMMOX) process, which involves anaerobic ammonium oxidation; and the completely autographic nitrogen removal over nitrite (CANON) process, which involves nitrogen removal within one reactor under oxygen-limited conditions. These new processes target the removal of nitrogen from wastewaters containing significant quantities of ammonium.     

Anaerobic ammonium oxidation discovered in a denitrifying fluidized bed reactor

Abstract Until now, oxidation of ammonium has only been known to proceed under aerobic conditions. Recently, we observed that NH₄⁺ was disappearing from a denitrifying fluidized bed reactor treating effluent from a methanogenic reactor. Both nitrate and ammonium consumption increased with concomitant gas production. A maximum ammonium removal rate of 0.4 kg N · m⁻³ · d⁻¹ (1.2 mM/h) was observed. The evidence for this anaerobic ammonium oxidation was based on nitrogen and redox balances in continuous-flow experiments. It was shown that for the oxidation of 5 mol ammonium, 3 mol nitrate were required, resulting in the formation of 4 mol dinitrogen gas. Subsequent batch experiments confirmed that the NH₄⁺ conversion was nitrate dependent. It was concluded that anaerobic ammonium oxidation is a new process in which ammonium is oxidized with nitrate serving as the electron acceptor under anaerobic conditions, producing dinitrogen gas. This biological process has been given the name ‘Anammox” (anaerobic ammonium oxidation), and has been patented.     

Detection and Quantification of Bacteria Involved in Aerobic and Anaerobic Ammonium Oxidation in an Ammonium-Contaminated Aquifer

The aerobic and anaerobic ammonium-oxidizing bacterial guilds were studied from two multilevel samplers in an ammonium-contaminated aquifer in the UK. By end point polymerase chain reaction (PCR), the presence of betaproteobacterial ammonium-oxidizing bacteria and anaerobic ammonium-oxidizing (anammox) planctomycetes was demonstrated. The sequences of cloned anammox-specific PCR fragments had close relationships with known anammox strains. Real-time PCR was subsequently used to determine the relative size of betaproteobacterial ammonium-oxidizing bacteria and anammox bacterial guilds in relation to the whole bacterial community, showing large differences between the two multilevel samplers. The depth profiles of the guild sizes correlated well with the profiles of the major geochemical parameters such as ammonium, nitrate, nitrite, and oxygen. A maximum of, 24% of anammox planctomycetes, 16S rRNA gene copies within the total bacterial, 16S rRNA gene copies in one of the boreholes indicated that the anammox process could have an important contribution in the natural attenuation of the ammonium plume at the site.