厭氧氨氧化簡介——李權(quán)

1、2022-2-18高等微生物高等微生物厭氧氨氧化（厭氧氨氧化（Anammox Anammox ）v 厭氧氨氧化的發(fā)現(xiàn)與發(fā)展厭氧氨氧化的發(fā)現(xiàn)與發(fā)展v 厭氧氨氧化菌的介紹厭氧氨氧化菌的介紹v 厭氧氨氧化的反應(yīng)機理厭氧氨氧化的反應(yīng)機理v 厭氧氨氧化的工程應(yīng)用厭氧氨氧化的工程應(yīng)用2022-2-18高等微生物高等微生物Anammox Anammox 的發(fā)現(xiàn)與發(fā)展1977年，年， Broda根據(jù)自由能的變化，根據(jù)自由能的變化，預(yù)言自然界中存在著能催化亞硝酸預(yù)言自然界中存在著能催化亞硝酸和硝酸氧化氨的細菌和硝酸氧化氨的細菌，認(rèn)為它們是隱藏于自然界的自養(yǎng)型細菌。，認(rèn)為它們是隱藏于自然界的自養(yǎng)型細菌。1995年

2、，年，Mulder和和Kuene等用流化床反應(yīng)器研究生物反硝化時，等用流化床反應(yīng)器研究生物反硝化時，發(fā)現(xiàn)了發(fā)現(xiàn)了氨氮的厭氧生物氧化現(xiàn)象氨氮的厭氧生物氧化現(xiàn)象，從而證實了，從而證實了Broda的預(yù)言。的預(yù)言。1998年年，荷蘭荷蘭Paques公司和代爾夫特理工大學(xué)（公司和代爾夫特理工大學(xué)（TU Delft）于首次發(fā)展）于首次發(fā)展了了厭氧氨氧化反應(yīng)器厭氧氨氧化反應(yīng)器。2002年，年，世界第一座世界第一座Anammox工業(yè)化生產(chǎn)反應(yīng)器工業(yè)化生產(chǎn)反應(yīng)器在荷蘭鹿特丹污水處在荷蘭鹿特丹污水處理廠投入運行。理廠投入運行。2006年，年，Strous等人完成對厭氧氨氧化菌的等人完成對厭氧氨氧化菌的宏基因組測序

3、宏基因組測序2022-2-18高等微生物高等微生物Anammox細菌的特征：細菌的特征：個體形態(tài)特征：個體形態(tài)特征：厭氧氨氧化菌形態(tài)多樣厭氧氨氧化菌形態(tài)多樣, ,呈球形、卵形等，直徑呈球形、卵形等，直徑0.8-0.8-1.1m1.1m。厭氧氨氧化菌是。厭氧氨氧化菌是革蘭氏陰性菌革蘭氏陰性菌。細胞外無莢。細胞外無莢膜。膜。細胞壁表面有火山口狀結(jié)構(gòu)，少數(shù)有菌毛。細胞壁表面有火山口狀結(jié)構(gòu)，少數(shù)有菌毛。. .細細胞內(nèi)分隔胞內(nèi)分隔 成成3 3部分：部分：厭氧氨氧化體厭氧氨氧化體(anammoxosome)(anammoxosome)、核核糖細胞質(zhì)糖細胞質(zhì) (riboplasm )(riboplasm )

4、及及外室細胞質(zhì)外室細胞質(zhì)(paryphoplasm )(paryphoplasm )生理生化特征：生理生化特征：厭氧氨氧化菌為化能厭氧氨氧化菌為化能自養(yǎng)自養(yǎng)型細菌型細菌, ,以二氧化碳作為以二氧化碳作為唯一唯一碳源，通過將亞硝酸氧化成硝酸來獲得能量，碳源，通過將亞硝酸氧化成硝酸來獲得能量，對氧敏對氧敏感。感。2022-2-18高等微生物高等微生物三、特殊的細胞膜特殊的細胞膜其生物膜的脂其生物膜的脂質(zhì)由質(zhì)由五個碳環(huán)五個碳環(huán)融合在融合在一起形成一個密集的一起形成一個密集的階梯。這種階梯。這種“梯形烷梯形烷”脂質(zhì)是獨特的，這種脂質(zhì)是獨特的，這種結(jié)構(gòu)使得結(jié)構(gòu)使得該膜非常致該膜非常致密密，所以能夠阻止聯(lián)

5、，所以能夠阻止聯(lián)氨泄漏到細胞其余地氨泄漏到細胞其余地方 。 目 前方 。 目 前 E l i a s E l i a s CoreyCorey已經(jīng)在實驗室構(gòu)已經(jīng)在實驗室構(gòu)造出該脂質(zhì)的結(jié)構(gòu)。造出該脂質(zhì)的結(jié)構(gòu)。2022-2-18高等微生物高等微生物Anammox Anammox 的反應(yīng)機理反應(yīng)方程式其中包括了分解代謝，合成代謝。1.分解代謝：2.合成代謝：其中NO2-具有雙重作用，一是作為厭氧氨氧化反應(yīng)的電子受體；二是作為無機碳源固定的電子供體。2022-2-18高等微生物高等微生物二、厭氧氨氧化的代謝過程1、1997年，Van de Graaf 等通過15N 標(biāo)記實驗發(fā)現(xiàn)：厭氧氨氧化是以NO2-

6、而不是NO3-為電子受體。羥胺和聯(lián)氨ANAMMOX反應(yīng)的重要代謝中間產(chǎn)物，羥胺可能來自NO2-，聯(lián)氨轉(zhuǎn)化為N2的過程被假定為給NO2-還原成羥胺提供電子。而且有少量的NO2-轉(zhuǎn)化為NO3-，可能是為了給厭氧氨化菌固定碳提供電子。2022-2-18高等微生物高等微生物NiR：亞硝酸還原酶：亞硝酸還原酶Cyt C:細胞色素細胞色素C氧化酶氧化酶HZO：可以催化氧化聯(lián)氨的一種酶，：可以催化氧化聯(lián)氨的一種酶，它可以與羥胺結(jié)合，但不會它可以與羥胺結(jié)合，但不會對它進行催化氧化對它進行催化氧化HH：聯(lián)氨水解酶：聯(lián)氨水解酶2022-2-18高等微生物高等微生物2、2006年，年，Strous通過對厭氧氨氧化菌

7、的宏基因組圖譜分析通過對厭氧氨氧化菌的宏基因組圖譜分析提出了氮元素的轉(zhuǎn)化過程主要分三步：提出了氮元素的轉(zhuǎn)化過程主要分三步： Nir：亞硝酸還原酶：亞硝酸還原酶HZS：聯(lián)氨合成酶：聯(lián)氨合成酶 HDH：聯(lián)氨水解酶聯(lián)氨水解酶2022-2-18高等微生物高等微生物過程分析：從厭氧氨氧化菌中分離獲得的HAO它不能將羥氨轉(zhuǎn)化成亞硝酸，只能將其轉(zhuǎn)化成NO或N20.該酶可以催化氧化聯(lián)氨，但對羥氨的親和力更強。補充說明：在聯(lián)氨氧化成氮氣的過程中,可產(chǎn)生4個電子,這4個電子通過細胞色素c、泛醌、細胞色素bc1復(fù)合體以及其他細胞色素c傳遞給NiR和HH,其中3個電子傳遞給NiR,1個電子傳遞給HH.伴隨電子傳遞,質(zhì)

8、子被排放至厭氧氨氧化體膜外側(cè),在該膜兩側(cè)形成質(zhì)子梯度,驅(qū)動ATP合成2022-2-18高等微生物高等微生物3、比較分析1）、厭氧氨氧化過程中亞硝酸鹽確實變成了NO。2）、與之前科學(xué)家們猜測的NO2- 被還原成NH2OH極大地不同。更令人驚訝的是，經(jīng)過大量的試驗證實，厭氧氨氧化菌內(nèi)根本不存在羥氨合成酶。3）、根據(jù)宏基因組測序，厭氧氨氧化菌還存在一種特殊的酶（Kustc1061），它能將 NH2OH 氧化成 NO，這就解釋了為什么 NH2OH 也能促進厭氧氨氧化反應(yīng)的試驗現(xiàn)象。2022-2-18高等微生物高等微生物Anammox Anammox 的影響因素的影響因素影響影響因素因素pH泥齡（越長越

9、好）泥齡（越長越好）氧氧溫度（溫度（3035）超過超過45會不可逆失活會不可逆失活基質(zhì)濃度基質(zhì)濃度有抑制作用，微氧條件有抑制作用，微氧條件(0.5%空氣飽和度空氣飽和度) 可完可完全抑制，全抑制，但該抑制作用是但該抑制作用是可逆的；可逆的；大于大于18%空氣飽空氣飽和度和度，菌群不可恢復(fù)。，菌群不可恢復(fù)。承受限度（承受限度（6.78.3）影響基質(zhì)的有效性影響基質(zhì)的有效性亞硝酸鹽是一種的毒性基質(zhì)，一亞硝酸鹽是一種的毒性基質(zhì)，一旦濃度過高，會對厭氧氨氧化菌旦濃度過高，會對厭氧氨氧化菌產(chǎn)生明顯的抑制作用產(chǎn)生明顯的抑制作用；氨濃度和氨濃度和硝酸鹽濃度低于硝酸鹽濃度低于1000 mg/L2022-2-1

10、8高等微生物高等微生物Anammox的工程應(yīng)用Sharon-Anammox工藝是一種將短程硝化和厭氧工藝是一種將短程硝化和厭氧氨氧化聯(lián)合的脫氮工藝（荷蘭氨氧化聯(lián)合的脫氮工藝（荷蘭Delft大學(xué)大學(xué)2001年開發(fā)年開發(fā)的）。的）。CANON工藝是一種在同一個反應(yīng)器內(nèi)實現(xiàn)亞硝化工藝是一種在同一個反應(yīng)器內(nèi)實現(xiàn)亞硝化和厭氧氨氧化的脫氮工藝和厭氧氨氧化的脫氮工藝（荷蘭（荷蘭Delft大學(xué)大學(xué)2001年開年開發(fā)的）。發(fā)的）。2022-2-18高等微生物高等微生物Sharon-AnammoxSharon-Anammox工藝工藝基本原理 在兩個反應(yīng)器內(nèi)，先在一個反應(yīng)器內(nèi)有氧條件下，利用氨氧化細菌在兩個反應(yīng)器內(nèi)

11、，先在一個反應(yīng)器內(nèi)有氧條件下，利用氨氧化細菌將將NH4+氧化生成氧化生成NO2-；然后在另一個反應(yīng)器缺氧條件下，以；然后在另一個反應(yīng)器缺氧條件下，以NH4+為為電子供體，將電子供體，將NO2-反硝化。反硝化。NH4+ HCO3-+ 0.75O2 0.5NH4+ 0.5NO2-+ CO2+ 1.5H2ONH4+ 1.32NO2-+ 0.066HCO3+ 0.13H+ 1.02N2+ 0.26NO3-+ 0.066CH2O0.sN0.1s+ 2.03H2O優(yōu)點分別在兩個反應(yīng)器內(nèi)實現(xiàn)部分硝化和厭氧氨氧化，能優(yōu)化兩類細菌分別在兩個反應(yīng)器內(nèi)實現(xiàn)部分硝化和厭氧氨氧化，能優(yōu)化兩類細菌的生存環(huán)境，運行性能穩(wěn)定

12、。的生存環(huán)境，運行性能穩(wěn)定。2022-2-18高等微生物高等微生物CANON工藝n基本原理基本原理亞硝化菌在有氧條件下把亞硝化菌在有氧條件下把NH4+化成化成NO2-，厭氧氨氧化菌則在無氧條件下把，厭氧氨氧化菌則在無氧條件下把NH4+和和NO2-轉(zhuǎn)化為轉(zhuǎn)化為N2，即利用亞硝化菌和厭氧氨氧化菌的協(xié)同作用，在同一，即利用亞硝化菌和厭氧氨氧化菌的協(xié)同作用，在同一個反應(yīng)器中完成亞硝化和厭氧氨氧化。個反應(yīng)器中完成亞硝化和厭氧氨氧化。NH4+ + 1. 5 O2 NO2- + H2O + 2H+NH4+ + 1. 3NO2- 1. 02N2 + 0. 26NO3-+ 2H2ONH4+ + 0. 85O2 0. 43N2 + 0. 13NO3-+ 1. 3H2O + 1. 4H+二、優(yōu)點二、優(yōu)點u限氧條件下進行節(jié)約供氧量理論上節(jié)約供氧限氧條件下進行節(jié)約供氧量理論上節(jié)約供氧62.5%u硝化硝化50%的氨氮控制在亞硝化階段節(jié)約堿度的氨氮控制在亞硝化階段節(jié)約堿度50%2