1 引言

　　隨著科技的迅速發(fā)展，工業(yè)化和城市化程度的不斷提高，水體富營(yíng)養(yǎng)化的問(wèn)題日益嚴(yán)重，使得水資源更加緊張.而氮是引起水體富營(yíng)養(yǎng)化的主要因素.所以越來(lái)越多的國(guó)家和地區(qū)制定了氮排放標(biāo)準(zhǔn).因此，研究開(kāi)發(fā)經(jīng)濟(jì)、高效的脫氮技術(shù)已成為水污染控制工程領(lǐng)域的研究重點(diǎn).

　　生物處理法作為19 世紀(jì)末廢水處理新型技術(shù)，與物化處理法相比具有處理費(fèi)用低，不會(huì)對(duì)環(huán)境造成二次污染等優(yōu)點(diǎn).因此，生物處理法至今已成為世界各國(guó)污水二、三級(jí)處理的主要手段.眾所周知氮元素可在相應(yīng)微生物的作用下轉(zhuǎn)化成各種氧化態(tài)和化學(xué)形式(目前已知的生物氮循環(huán)途徑如 圖 1所示)，因此在污水生物脫氮處理中衍生了大量組合工藝.而厭氧氨氧化過(guò)程是目前最捷徑的生物脫氮過(guò)程，因此被譽(yù)為最具前景的污水脫氮工藝.為了更好的將厭氧氨氧化工藝應(yīng)用到實(shí)際規(guī)模中，本文著重對(duì)厭氧氨氧化菌的發(fā)現(xiàn)及其與污水處理中常見(jiàn)細(xì)菌的協(xié)同與競(jìng)爭(zhēng)關(guān)系進(jìn)行了詳細(xì)的綜述.旨在為厭氧氨氧化工藝在污水生物處理中的應(yīng)用提供理論依據(jù)，并為今后厭氧氨氧化工藝的研究方向提出一些意見(jiàn).

　　圖 1 氮循環(huán)示意圖

　　2 厭氧氨氧化概述

　　早在1976年，Broda預(yù)言在自然界中存在一種以NO-2或NO-3作為電子受體把NH+4氧化成N2的化能自養(yǎng)型細(xì)菌.直到1995年，Mulder等處理酵母廢水的反硝化流化床反應(yīng)器內(nèi)發(fā)現(xiàn)了NH+4消失的現(xiàn)象，從而證實(shí)了厭氧氨氧化反應(yīng)的存在.

　　厭氧氨氧化(Anaerobic ammonium oxidation，Anammox)是在缺氧條件下以亞硝酸鹽(NO-2)為電子受體將氨(NH+4)轉(zhuǎn)化成氮?dú)?N2)，同時(shí)伴隨著以亞硝酸鹽為電子供體固定CO2并產(chǎn)生硝酸鹽(NO-3)的生物過(guò)程.執(zhí)行該過(guò)程的微生物稱之為厭氧氨氧化菌(Anaerobic ammonium oxidation bacteria，AAOB)，其化學(xué)計(jì)量學(xué)方程式如下：

　　1NH+4+1.32NO-2+0.066HCO-3+0.13H+→ 1.02N2+0.26NO-3+0.066CH2O0.5N0.15+2.03H2O

　　由于氨氧化細(xì)菌(Ammonium oxidation bacteria，AOB)可將氨氧化成亞硝酸鹽，為AAOB提供基質(zhì)，所以目前對(duì)厭氧氨氧化工藝的應(yīng)用通常與短程硝化(亞硝化)聯(lián)系在一起. 圖 2為亞硝化-厭氧氨氧化工藝與傳統(tǒng)的硝化-反硝化工藝的對(duì)比，通過(guò)對(duì)比可知亞硝化-厭氧氨氧化工藝具有如下優(yōu)點(diǎn)：

　　圖 2 硝化-反硝化工藝與亞硝化-厭氧氨氧化工藝的比較

　�、賲捬醢毖趸�在缺氧條件下進(jìn)行，無(wú)需氧氣的供應(yīng)，可節(jié)省62.5%的能源消耗.

　�、趨捬醢毖趸�以無(wú)機(jī)碳(CO2或HCO-3)為碳源，無(wú)需投加有機(jī)碳，大大節(jié)省了碳源.

　�、蹃喯趸�-厭氧氨氧化所產(chǎn)生的CO2與普通的硝化-反硝化系統(tǒng)相比減少90%.

　　④AAOB生長(zhǎng)緩慢、產(chǎn)率低，因此工藝剩余污泥量少，污泥處置費(fèi)用低.

　�、輩捬醢毖趸�氮去除率及氮去除負(fù)荷較高，從而能夠減少工藝占地面積，降低工藝基建成本.

　　AAOB是一群分支很深的浮霉?fàn)罹?AAOB生長(zhǎng)緩慢，在30~40℃條件下，其倍增時(shí)間為10~14 d，細(xì)胞產(chǎn)率為0.11 g(VSS)/g(NH+4)，如果對(duì)培養(yǎng)條件進(jìn)行優(yōu)化，其倍增時(shí)間可縮短至4.8 d，甚至1.8 d.如表 1所示為目前已發(fā)現(xiàn)的5屬17種Anammox菌.相關(guān)研究表明，AAOB為地球氮循環(huán)做出了巨大貢獻(xiàn)，目前已在自然環(huán)境和人工環(huán)境中發(fā)現(xiàn)了大量AAOB的存在.其中厭氧的自然生態(tài)系統(tǒng)包括：海洋沉積物和海洋水體、淡水沉積物和淡水水體、紅樹(shù)林地區(qū)(以及陸地生態(tài)系統(tǒng)等.而在人工生態(tài)系統(tǒng)中包括：污水處理廠、海洋循環(huán)水產(chǎn)養(yǎng)殖系統(tǒng)、垃圾滲濾液處理系統(tǒng).此外，人們以各種環(huán)境中發(fā)現(xiàn)的AAOB作為基礎(chǔ)，將其引入污水處理系統(tǒng)，循序漸進(jìn)地對(duì)AAOB進(jìn)行馴化培養(yǎng)以處理各類廢水，包括實(shí)驗(yàn)室規(guī)模、中試規(guī)模及實(shí)際規(guī)模的污泥消化液、垃圾滲濾液、焦化廢水、味精廢水、養(yǎng)豬廢水(以及制藥廢水等.

　　表1 目前已發(fā)現(xiàn)的5屬17種AAOB

　　厭氧氨氧化工藝是一種高效脫氮工藝，其最大氮負(fù)荷可達(dá)9.5 kg · m-3 · d-1，且處理污水成本只需0.75C =· kg-1，因此厭氧氨氧化是一種極具前景的生物處理工藝.但由于厭氧氨氧化至今未能獲得純培養(yǎng)，為了得到高純度的AAOB，目前只能用密度梯度離心的方法獲得純度為99.8%的AAOB，因此對(duì)AAOB的研究仍受到很大的阻礙，這意味著對(duì)厭氧氨氧化工藝的應(yīng)用及推廣也會(huì)帶來(lái)諸多難題.然而“在單個(gè)細(xì)胞水平上對(duì)基因組進(jìn)行測(cè)序”的單細(xì)胞測(cè)序技術(shù)能夠解決上述難題.因此對(duì)AAOB的進(jìn)一步了解有賴于單細(xì)胞測(cè)序技術(shù)的成熟應(yīng)用.

　　3 AAOB與其他微生物之間的關(guān)系

　　在自然生態(tài)系統(tǒng)和人工生態(tài)系統(tǒng)中，AAOB不僅與環(huán)境有著密切的關(guān)系，而且與其他微生物也有著密切的關(guān)系.微生物之間的關(guān)系有種內(nèi)和種間關(guān)系.其中AAOB的種內(nèi)關(guān)系主要體現(xiàn)在群體感應(yīng)系統(tǒng)，而AAOB的種間關(guān)系主要是與氨氧化菌、亞硝酸鹽氧化菌、反硝化菌、厭氧甲烷氧化菌的合作與競(jìng)爭(zhēng)關(guān)系.

　　3.1 AAOB的種內(nèi)關(guān)系(群體感應(yīng)系統(tǒng))

　　群體感應(yīng)作為一種通訊機(jī)制在微生物細(xì)胞之間普遍存在，它能夠根據(jù)菌群密度和周圍環(huán)境的變化來(lái)調(diào)節(jié)基因表達(dá)，從而控制菌群行為.由于AAOB 至今未能得到純培物，所以對(duì)AAOB 群體感應(yīng)的深入研究無(wú)從下手. 但根據(jù)目前對(duì)AAOB的研究來(lái)看，Ding等(Ding et al.，2013)認(rèn)為有3個(gè)現(xiàn)象可以推測(cè)厭氧氨氧化菌之間存在群體感應(yīng)系統(tǒng).

　　(1)厭氧氨氧化活性存在密度依賴性.根據(jù)Strous等的研究發(fā)現(xiàn)，只有當(dāng)AAOB細(xì)胞濃度大于1010～1011 cell · mL-1時(shí)，AAOB才具有厭氧氨氧化活性.

　　(2)目前認(rèn)為AAOB屬于革蘭氏陰性細(xì)菌，而對(duì)于革蘭氏陰性細(xì)菌的群體感應(yīng)系統(tǒng)而言其自誘導(dǎo)物為N-乙�；�高絲氨酸內(nèi)酯(N-acyl-homoserine lactones，AHLs)類化合物，主要用作種內(nèi)“語(yǔ)言”，且對(duì)于革蘭氏陰性菌中AHLs的合成來(lái)說(shuō)，S-腺苷甲硫氨酸(S- adenosyl methionine，SAM)和乙酰化載體蛋白(acyl-acyl carrier protein，acyl-ACP)是必要的生物分子.Strous等利用宏基因組學(xué)技術(shù)對(duì)C and idatus Kuenenia stuttgartiensis 的脂肪酸代謝基因組學(xué)信息進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)其具有編碼SAM和acyl-ACP的合成酶的相關(guān)基因，證明其具有自誘導(dǎo)物合成潛力.

　　(3)De Clippeleir 等在研究長(zhǎng)鏈高絲氨酸內(nèi)酯對(duì)OLAND生物膜中厭氧氨氧化速率的影響時(shí)發(fā)現(xiàn)，在OLAND生物膜系統(tǒng) 中，添加N-十二酰基高絲氨酸內(nèi)酯(N-dodecanoyl homoserine lactone，C12-HSL)可以增強(qiáng)AAOB活性，而對(duì)AOB沒(méi)有影響.C12-HSL屬于AHLs中碳鏈較長(zhǎng)的一種，其對(duì)革蘭氏陰性細(xì)菌的自誘導(dǎo)起到關(guān)鍵的作用.

　　3.2 AAOB的種間關(guān)系 3.2.1 AAOB的種間競(jìng)爭(zhēng)關(guān)系

　　目前已發(fā)現(xiàn)的AAOB有5屬17種，根據(jù)目前對(duì)AAOB的研究來(lái)說(shuō)，除了用AAOB處理垃圾滲濾液的研究中發(fā)現(xiàn)C and idatus Scalindua brodae和C and idatus Scalindua wagneri有等量共存的現(xiàn)象，絕大多數(shù)情況下很少能發(fā)現(xiàn)兩種AAOB在相同單一生境中等量共存的現(xiàn)象，這意味著AAOB的確存在種間的競(jìng)爭(zhēng)關(guān)系.不論在自然生態(tài)系統(tǒng)還是人工生態(tài)系統(tǒng)C and idatus Brocadia和C and idatus Kuenenia都最為常見(jiàn)，現(xiàn)以該兩種菌屬為例討論AAOB的種間競(jìng)爭(zhēng)關(guān)系.

　　圖 3 C and idatus Kuenenia與C and idatus Brocadia的競(jìng)爭(zhēng)曲線

　　van der Star等，用膜生物反應(yīng)器富集AAOB時(shí)發(fā)現(xiàn)，在富集過(guò)程中存在種群結(jié)構(gòu)逐漸由原來(lái)的C and idatus Brocadia轉(zhuǎn)變?yōu)镃 and idatus Kuenenia的現(xiàn)象.他們認(rèn)為C and idatus Brocadia的繁殖策略屬于r-策略，而C and idatus Kuenenia則屬于K-策略. 圖 3為C and idatus Kuenenia與C and idatus Brocadia的競(jìng)爭(zhēng)曲線，其中C and idatus Kuenenia的亞硝酸鹽半飽和常數(shù)KS=0.2～0.3 μmol · L-1，而C and idatus Brocadia的亞硝酸鹽半飽和常數(shù)KS≈5 μmol · L-1.因此C and idatus Kuenenia較C and idatus Brocadia生長(zhǎng)緩慢，所以在底物濃度較低的情況下，C and idatus Kuenenia占主導(dǎo)作用，相反在底物濃度較高的情況下，C and idatus Brocadia占主導(dǎo)作用.因此，對(duì)于污水處理系統(tǒng)的高效運(yùn)行來(lái)說(shuō)，C and idatus Brocadia可能是很好的選擇.而對(duì)于處理低濃度廢水C and idatus Kuenenia則更為合適.

　　3.2.2 AAOB與硝化菌的種間關(guān)系

　　(1)AAOB與硝化菌基于底物協(xié)同作用

　　AOB將氨氧化成亞硝酸鹽，為AAOB提供基質(zhì)，與此同時(shí)AAOB也為AOB去除有毒物質(zhì)(亞硝酸鹽).在自然生態(tài)系統(tǒng)中，AOB和AAOB經(jīng)常共同生長(zhǎng)在氧最小區(qū)域(oxygen minimum zones，OMZs).目前已在多處海洋的OMZs處發(fā)現(xiàn)AOB和AAOB的存在，如智利北部OMZs發(fā)現(xiàn)AAOB，且在同一地平線處的秘魯OMZs中發(fā)現(xiàn)AOB.如 圖 4所示，為海洋生態(tài)系統(tǒng)中AAOB與其他微生物的競(jìng)爭(zhēng)協(xié)同關(guān)系.據(jù)報(bào)道，在海洋50 m深處，AAOB的生物量(高達(dá)3000 cell · mL-1)和多樣性最高，而當(dāng)深度達(dá)到300 m時(shí)，AAOB的生物量降低到450 cell · mL-1.這是因?yàn)樯钸_(dá)300 m處的海洋極度缺氧，導(dǎo)致AOB不能生存，因此不能為AAOB提供充足的亞硝酸鹽，所以在300 m深處AAOB活性喪失.同時(shí)在黑海的OMZs中也存在著AOB-AAOB互利共存的現(xiàn)象.

　　圖 4 海洋生態(tài)系統(tǒng)中AAOB與其他微生物的競(jìng)爭(zhēng)協(xié)同作用示意圖

　　在人工生態(tài)系統(tǒng)中，CANON(completely autotrophic nitrogen removal over nitrite)工藝和OLAND(oxygen limited autotrophic nitrification and denitrification)工藝結(jié)合AOB和AAOB進(jìn)行脫氮.其原理為AOB首先將氨轉(zhuǎn)化成亞硝酸鹽，之后由AAOB將剩余的氨和AOB產(chǎn)生的亞硝酸鹽轉(zhuǎn)化成氮?dú)?Sliekers等研究表明AAOB不具備水解尿素的能力，因此AAOB不能以尿素作為氮源，但是AOB具有將尿素轉(zhuǎn)化為氨氮的能力，因此在處理含尿素廢水時(shí)，AOB不但能為AAOB提供亞硝酸鹽，而且還能提供氨氮.AAOB和AOB的協(xié)同作用主要依賴氨和亞硝酸鹽，其中亞硝酸鹽占主導(dǎo)地位.

　　(2)AAOB與硝化菌空間協(xié)同作用

　　空間協(xié)同作用主要存在于顆粒污泥和生物膜中，AAOB、AOB、NOB在顆粒污泥或生物膜中的位置主要由DO決定.因?yàn)锳AOB對(duì)氧氣極為敏感，耐氧能力極低，所以AOB通常長(zhǎng)在顆粒污泥或生物膜的表層，而AAOB則長(zhǎng)在內(nèi)部、這是因?yàn)锳OB可以消耗氧氣為AAOB提供缺氧環(huán)境，同時(shí)還可以提供亞硝酸鹽基質(zhì).對(duì)NOB進(jìn)行檢測(cè)發(fā)現(xiàn)其在顆粒污泥中的含量遠(yuǎn)低于AOB，究其原因主要是在低氧環(huán)境下AOB對(duì)氧的親和力比NOB要強(qiáng). 圖 5所示為AAOB與AOB的空間協(xié)同作用關(guān)系.

　　圖 5 AAOB與AOB的空間協(xié)同作用示意圖(背景為顆粒污泥切片熒光原位雜交(fluorescence in situ hybridization，F(xiàn)ISH)圖片; 其中AAOB探針AMX368用Cy3標(biāo)記(紅色)，AOB探針NSO190、NOS1225用Cy5標(biāo)記(藍(lán)色)，NOB探針Ntspa662、NIT1035用Fluos標(biāo)記(綠色))

　　(3)AAOB與硝化菌基于底物和DO的競(jìng)爭(zhēng)作用

　　AOB和AAOB都以氨作為基質(zhì)，然而DO作為一個(gè)重要的影響因子可以決定系統(tǒng)中的優(yōu)勢(shì)菌種.由于AAOB無(wú)需氧氣所以在缺氧條件下AAOB占主導(dǎo)作用.但這并不意味著AOB會(huì)在系統(tǒng)中消失，因?yàn)锳OB有多種代謝方式，這有益于他們?cè)诓焕�的條件下生存(Bock et al.，1995). 有趣的是，據(jù)報(bào)道Nitrosomonas europaea也可以按照厭氧氨氧化方式進(jìn)行代謝，但其競(jìng)爭(zhēng)基質(zhì)的能力弱于AAOB(Schmidt and.

　　氧對(duì)厭氧氨氧化活性具有極強(qiáng)抑制作用.據(jù)Jetten等報(bào)道微量的溶解氧(>0.5%)就會(huì)抑制厭氧氨氧化過(guò)程.而Strous等研究表明，只有在充入惰性氣體，將水中的溶解氧完全吹脫時(shí)，AAOB才具備降解氨及亞硝酸鹽的能力，也就是說(shuō)只有在嚴(yán)格無(wú)氧的條件下才能檢測(cè)到厭氧氨氧化活性，且該研究進(jìn)一步表明，溶解氧抑制是可逆的.此外AAOB與AOB相比其倍增時(shí)間長(zhǎng)且細(xì)胞產(chǎn)率低.以上這些說(shuō)明，當(dāng)AOB與AAOB在好氧條件下進(jìn)行競(jìng)爭(zhēng)，AOB會(huì)獲得更多的基質(zhì)和空間.

　　3.2.3 AAOB與反硝化菌的種間關(guān)系

　　(1)AAOB與反硝化菌基于底物的協(xié)同作用

　　在自然生態(tài)系統(tǒng)中，如海洋表面，由于氧氣比較充足，氨可被氧化為硝酸鹽，在水的流動(dòng)作用下硝酸鹽被傳輸?shù)胶Ｑ笊钐幍娜毖鯀^(qū)，在缺氧區(qū)反硝化菌可將硝酸鹽還原成亞硝酸鹽，為AAOB提供必要基質(zhì). 為了衡量厭氧氨氧化作用對(duì)海洋氮循環(huán)的貢獻(xiàn)大小，對(duì)格陵蘭東、西海岸的沉積物、杜爾塞海灣的缺氧水體以及黑海水域做了相關(guān)研究.發(fā)現(xiàn)由厭氧氨氧化作用所產(chǎn)生的N2占總N2的量分別為：1%~35%、19%~35%和40%.

　　在人工生態(tài)系統(tǒng)中，AAOB可以和反硝化菌共存.在以反硝化污泥當(dāng)做種泥來(lái)啟動(dòng)厭氧氨氧化反應(yīng)器研究中發(fā)現(xiàn)AAOB和反硝化菌都以亞硝酸鹽當(dāng)做基質(zhì)，但能夠決定脫氮過(guò)程的主要因素是C/N比和TOC負(fù)荷.Tal等以硝化污泥和反硝化污泥當(dāng)做種泥來(lái)富集厭氧氨氧化，結(jié)果表明用反硝化污泥富集的厭氧氨氧化活性較高(以聯(lián)氨氧化活性表征約0.16 μmol · beed-1 · h-1)，說(shuō)明AAOB和反硝化菌的協(xié)同作用要強(qiáng)于AOB.

　　(2)AAOB與反硝化菌基于底物和有機(jī)物的競(jìng)爭(zhēng)作用

　　反硝化菌和AAOB都以亞硝酸鹽作為基質(zhì)，但反硝化菌的另一種基質(zhì)有機(jī)物能夠抑制厭氧氨氧化活性.當(dāng)COD/NO-2-N比值較低時(shí)，以厭氧氨氧化方式去除氮的過(guò)程不會(huì)有顯著的影響，甚至AAOB能夠利用有機(jī)物作為基質(zhì).但當(dāng)COD/NO-2-N比值較高時(shí)，亞硝酸鹽將會(huì)被反硝化菌所利用，從而抑制AAOB.值得注意的是反硝化菌是異養(yǎng)菌，其生長(zhǎng)速率和細(xì)胞產(chǎn)量都比AAOB高，自養(yǎng)的AAOB逐漸被淘洗從而使厭氧氨氧化的脫氮能力降低，這意味著如果反應(yīng)器一直在不利于AAOB的條件下運(yùn)行，反硝化菌的數(shù)量將會(huì)超過(guò)AAOB的數(shù)量，而AAOB在整個(gè)菌群中的比例將會(huì)隨之降低.但相關(guān)研究表明在少量有機(jī)物存在的條件下AAOB可以執(zhí)行另一種代謝途徑：利用有機(jī)物作為電子供體將硝酸鹽還原為氨，即異化硝酸鹽還原為氨(dissimilatory nitrate reduction to ammonia，DNRA). 圖 6所示為少量有機(jī)物存在條件下，AAOB與反硝化菌的競(jìng)爭(zhēng)關(guān)系.

　　圖 6 有機(jī)物存在下AAOB與反硝化菌的競(jìng)爭(zhēng)關(guān)系

　　Güven 等研究表明，有機(jī)酸能被AAOB轉(zhuǎn)化，而對(duì)于丙酸來(lái)說(shuō)，其消耗速率較高為0.8 nmol · min-1 · mg protein-1，而葡萄糖、甲酸、丙酸則對(duì)厭氧氨氧化的活性無(wú)明顯影響.進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)AAOB以亞硝酸鹽或硝酸鹽作為電子受體的情況下可將丙酸轉(zhuǎn)化為CO2.且對(duì)長(zhǎng)達(dá)150 d系統(tǒng)中的微生物進(jìn)行種群結(jié)構(gòu)的分析發(fā)現(xiàn)AAOB數(shù)量和反硝化菌的數(shù)量并沒(méi)有顯著變化，這意味著AAOB與反硝化菌相比顯示出對(duì)丙酸的競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì).在膜曝氣生物膜系統(tǒng)中，當(dāng)COD/N>2時(shí)，厭氧氨氧化活性降低，異養(yǎng)菌成為優(yōu)勢(shì)菌屬.當(dāng)COD高于300 mg · L-1時(shí)，厭氧氨氧化活性喪失，甚至從系統(tǒng)中消失. Molinuevo等研究表明，當(dāng)COD高于290 mg · L-1時(shí)，厭氧氨氧化作用被反硝化作用所取代.如若發(fā)生上述這些情況，通常采用AAOB細(xì)胞固定化技術(shù)或額外投加AAOB的方法來(lái)解決.

　　3.2.4 AAOB與厭氧甲烷氧化菌的種間關(guān)系

　　據(jù)報(bào)道氨、溶解性甲烷、亞硝酸鹽(硝酸鹽)通常共存于缺氧生態(tài)環(huán)境中.而根據(jù)化學(xué)計(jì)量反應(yīng)式(1)(2)，吉布斯自由能變皆小于零，說(shuō)明反應(yīng)可自發(fā)正向進(jìn)行，因此可以推測(cè)自然界中存在以NO-2和NO-3為電子受體的厭氧甲烷氧化過(guò)程.但經(jīng)過(guò)長(zhǎng)時(shí)間的調(diào)查和研究都未曾在自然界中尋其蹤跡.直至1991年，Smith等利用原位自然梯度示蹤實(shí)驗(yàn)在受污染的地下水環(huán)境中發(fā)現(xiàn)了厭氧甲烷氧化耦合反硝化的現(xiàn)象，但一直未能獲得其富集培養(yǎng)物.直至2006年Raghoebarsing 等，用Twentekanaal河的缺氧沉積物作為接種污泥，在實(shí)驗(yàn)室條件下獲得了以硝態(tài)氮作為電子受體的厭氧甲烷氧化富集培養(yǎng)物，并將該過(guò)程命名為反硝化型甲烷厭氧氧化(Denitrification-dependent anaerobic methane oxidation，DAMO). 值得注意的是，當(dāng)系統(tǒng)中同時(shí)存在NO-2和NO-3時(shí)，反硝化型厭氧甲烷氧化過(guò)程優(yōu)先利用亞硝酸鹽作為電子受體，因此又將該過(guò)程稱為依賴亞硝酸鹽型的厭氧甲烷氧化(nitrite-dependent anaerobic methane oxidation，N-DAMO).

　　在自然生態(tài)系統(tǒng)中，N-DAMO主要分布于淡水水域，且在淡水沉積物和淡水水域中也發(fā)現(xiàn)了AAOB的存在，這是否能夠說(shuō)明N-DAMO和AAOB可以在相同的生境下共存呢?通過(guò)對(duì)N-DAMO與AAOB的生理學(xué)和生態(tài)學(xué)的研究表明，N-DAMO與AAOB很可能在含有甲烷、氨、氮氧化物的缺氧生態(tài)環(huán)境中共存.

　　Wang，在研究水稻土(0~100 cm)中N-DAMO與AAOB的共存和分布時(shí)發(fā)現(xiàn)N-DAMO與AAOB共存于水稻土中，且兩者均在30~60 cm處分布較多.Yang 等，對(duì)青藏高原的兩個(gè)鹽湖(鹽度分別為32和84 g · L-1)的表層沉積物進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)N-DAMO和AAOB可以共存于天然鹽堿環(huán)境中.Zhu 等，對(duì)濕地生態(tài)系統(tǒng)中的厭氧氨氧化和厭氧甲烷氧化作用進(jìn)行了詳細(xì)的綜述，并推測(cè)淡水濕地非常適合AAOB和N-DAMO的共同生長(zhǎng).

　　在人工生態(tài)系統(tǒng)中，同樣也發(fā)現(xiàn)了N-DAMO與AAOB共存的現(xiàn)象.Luesken等，以N-DAMO富集污泥(70%~80%)作為種泥，在SBR反應(yīng)器中進(jìn)行N-DAMO和AAOB的混合培養(yǎng).161 d后，混合培養(yǎng)物中N-DAMO和AAOB的數(shù)量各占50%左右，且該系統(tǒng)能有效的同步去除氨、溶解性甲烷及亞硝酸鹽，其亞硝酸鹽轉(zhuǎn)化速率為0.1 kg · m-3 · d-1(17.2 mmol · d-1).而Zhu 等，則以實(shí)際規(guī)模的厭氧氨氧化反應(yīng)器中的顆粒污泥作為種泥，進(jìn)行N-DAMO和AAOB的混合培養(yǎng)研究.研究表明AAOB顆粒污泥作為接種污泥進(jìn)行N-DAMO和AAOB的混合培養(yǎng)是可行的.同時(shí)他們也證明了實(shí)際規(guī)模的厭氧氨氧化反應(yīng)器中的N-DAMO的確為NO-2(或NO-3)及甲烷的去除做了貢獻(xiàn).

　　關(guān)于N-DAMO與AAOB的協(xié)同與競(jìng)爭(zhēng)作用的機(jī)制研究較少.如 圖 6所示，為AAOB與N-DAMO的競(jìng)爭(zhēng)與協(xié)同作用關(guān)系.從圖中可以看出，N-DAMO與AAOB都在缺氧條件下生存且都以亞硝酸鹽作為電子受體，即他們?cè)谕�一個(gè)體系中共同競(jìng)爭(zhēng)亞硝酸鹽.且Jetten等表明如果系統(tǒng)中氨含量過(guò)高，則N-DAMO將會(huì)失去與AAOB的競(jìng)爭(zhēng)能力，這說(shuō)明AAOB與N-DAMO相比具有更強(qiáng)的亞硝酸鹽親和能力.此外，N-DAMO反應(yīng)過(guò)程中所產(chǎn)生的CO2可作為AAOB的無(wú)機(jī)碳源，而當(dāng)NO-2濃度較低時(shí)，AAOB反應(yīng)過(guò)程中產(chǎn)生的NO-3也可作為N-DAMO的電子受體.

　　厭氧消化工藝的主要終產(chǎn)物為氨和甲烷.氣相中的甲烷易被收集和純化用作能源物質(zhì)，但液相中的甲烷卻很難被回收，尤其是在低溫條件下.如果不對(duì)溶解性甲烷進(jìn)行適當(dāng)處理，其將會(huì)緩慢釋放到空氣中造 成溫室效應(yīng).因此N-DAMO與AAOB混合培養(yǎng)技術(shù) 用于處理厭氧消化工藝出水具有非常光明的前景.具體參見(jiàn)污水寶商城資料或http://wlmqsb.com更多相關(guān)技術(shù)文檔。

　　圖 7 AAOB與N-DAMO的競(jìng)爭(zhēng)與協(xié)同作用示意圖(背景為熒光原位雜交(fluorescence in situ hybridization，F(xiàn)ISH)圖片; 其中AAOB探針AMX368用Cy5標(biāo)記(藍(lán)色)，N-DAMO探針DBACT1027用Cy3標(biāo)記(黃色))

　　4 結(jié)語(yǔ)

　　厭氧氨氧化工藝作為一種具有能耗低、無(wú)需碳源等優(yōu)點(diǎn)的新興工藝，受到越來(lái)越多學(xué)者的研究和關(guān)注.但執(zhí)行厭氧氨氧化過(guò)程的AAOB生長(zhǎng)緩慢、細(xì)胞產(chǎn)率低，且易受環(huán)境條件的影響，使得該工藝應(yīng)用受到嚴(yán)重阻礙.為了更好的將厭氧氨氧化工藝投入實(shí)際生產(chǎn)規(guī)模中，對(duì)有利于AAOB種群競(jìng)爭(zhēng)的因素進(jìn)行相關(guān)研究是相當(dāng)必要的.而想要促進(jìn)厭氧氨氧化生長(zhǎng)，提高厭氧氨氧化活性，必須優(yōu)化營(yíng)養(yǎng)條件和環(huán)境條件.如 圖 8所示為各競(jìng)爭(zhēng)因素對(duì)AAOB種群結(jié)構(gòu)的影響.通過(guò)控制運(yùn)行參數(shù)可對(duì)種群結(jié)構(gòu)進(jìn)行調(diào)整，使相應(yīng)的菌種介入為AAOB提供基質(zhì)，而將AAOB的競(jìng)爭(zhēng) 者從反應(yīng)器中淘汰.因此研究AAOB與其他細(xì)菌的協(xié)同競(jìng)爭(zhēng)關(guān)系相當(dāng)重要.

　　圖 8 競(jìng)爭(zhēng)因素對(duì)AAOB種群結(jié)構(gòu)的影響

　　對(duì)今后AAOB與其他細(xì)菌的協(xié)同競(jìng)爭(zhēng)關(guān)系的相關(guān)研究，建議學(xué)者們從如下幾個(gè)方面進(jìn)行.

　　1)由于厭氧氨氧化的純培物至今未能獲得，因此阻礙了AAOB的群體感應(yīng)系統(tǒng)和種內(nèi)競(jìng)爭(zhēng)的機(jī)理研究，為更加深入的了解AAOB種內(nèi)關(guān)系建議加強(qiáng)AAOB的純培養(yǎng)研究.

　　2)目前只對(duì)C and idatus Kuenenia stuttgartiensis和C and idatus Scalindua profunda的基因組進(jìn)行了研究，且表現(xiàn)出明顯的區(qū)別.而其他的厭氧氨氧化菌的序列測(cè)定仍沒(méi)有報(bào)道，是否其他厭氧氨氧化菌也擁有某些特殊功能基因，而這些基因又能夠潛在的影響AAOB種內(nèi)關(guān)系，這對(duì)AAOB的種內(nèi)關(guān)系的研究來(lái)說(shuō)具有非常重要的意義.

　　3)由于N-DAMO的研究才剛剛起步，所以目前對(duì)N-DAMO與AAOB混合培養(yǎng)的研究甚少，以至于對(duì)N-DAMO與AAOB的協(xié)同競(jìng)爭(zhēng)關(guān)系仍然不明確，而厭氧氨氧化-甲烷厭氧氧化聯(lián)合工藝對(duì)處理厭氧消化工藝出水非常有效，因此在今后厭氧消化工藝的研究中可以將其推廣以致應(yīng)用.