厌氧氨氧化菌与脱氮菌关系研究进展

陈 瑞

（新疆大学资源与环境科学学院，乌鲁木齐 830046）

水体中过量的氮可能导致水体富营养化，危害水体生态环境，因此污水脱氮显得极为重要。研究表明，厌氧氨氧化过程造成海洋生态系统中30%～50%的氮损失，对水体氮元素的去除起到巨大的作用[1]。厌氧氨氧化是无机自养过程，于20世纪90年代初在反硝化流化床中被发现，厌氧氨氧化过程不消耗有机碳，不需曝气，剩余污泥量少，且能同时去除氨氮和亚硝酸盐氮，作为经济、节能、高效的脱氮技术，已成为水污染控制工程领域近几年的研究热点[2]。

厌氧氨氧化菌（Anaerobic ammonium oxidation bacteria，AAOB）的存在实现了厌氧氨氧化过程，已被发现的包括Ca.Brocadia，Ca.Kuenenia，Ca.Scalindua，Ca.Anammoxoglobus，Ca.Jettenia和Ca.Anammoximicrobium，都属于浮霉菌门（Planctomycetes）。AAOB尚未从培养物中分离纯化，表明它们可能与其他微生物共存[3]。在此基础上，其衍生出与厌氧氨氧化过程结合的工艺，如亚硝化/厌氧氨氧化工艺（Partial-nitritation/anammox，PN/A）、同步亚硝化厌氧氨氧化反硝化工 艺（Simultaneous partial nitrification，anammox and denitrification，SNAD）、厌氧氨氧化-甲烷厌氧氧化联合工艺等，这些工艺较单纯的厌氧氨氧化工艺或传统的硝化-反硝化工艺更具优势。

基于厌氧氨氧化过程的组合工艺是很有前途的废水脱氮技术，掌握AAOB与其他脱氮菌之间的关系对这些技术的发展与应用起着极大的促进作用。而当前，AAOB与其他脱氮菌关系的研究较少。本文以AAOB与硝化菌、反硝化菌、厌氧甲烷氧化菌的关系，以及它们在废水处理中的应用现状进行了论述。

1 厌氧氨氧化菌与硝化菌的关系及应用

1.1 厌氧氨氧化细菌与硝化菌的关系

硝化菌包括氨氧化细菌（Ammonia-oxidizing bacteria，AOB）、 亚 硝 酸 盐 氧 化 细 菌（Nitrite oxidation bacteria，NOB）和氨氧化古菌（Ammoniaoxidizing archaea，AOA）等。在黑海氧含量最低的区域，人们发现了硝化-厌氧氨氧化联合脱氮的现象[4]。在污水处理系统中，PN/A工艺利用AAOB和AOB联合去除水体中的氮元素，AOB先进行预处理，将大部分氨氮氧化成亚硝酸盐氮，为AAOB提供亚硝酸盐氮，厌氧条件下，AAOB利用亚硝酸盐氮作为电子受体，将污水中剩余的氨氮和亚硝酸盐氮同时去除。溶解氧（DO）对AAOB具有极强的抑制作用，只有在充入惰气完全吹脱水中DO的状态下，AAOB才能表现其活性。因此，AOB与AAOB耦合，AOB还能够消耗DO，为厌氧氨氧化细菌创造厌氧环境，AAOB与AOB之间表现出协同的作用。

NOB可以将亚硝酸盐氮转化成硝酸盐氮，因为与厌氧氨氧化反应基质相同，两种菌存在竞争关系。但厌氧氨氧化活性试验结果证实了在AAOB活跃的环境（缺氧）下，NOB活性被有效地抑制，原因是NOB对氧的亲和力远远低于AOB，使得NOB在缺氧环境下无法生存。因此，AAOB和NOB最适宜的生境相异，不会产生显著的互相影响[5]。

此外，AOA可将氨氮转化为亚硝酸盐氮，为AAOB提供基质。AOA是一个完全独立于AOB的进化群，有研究表明AOA广泛分布于海洋环境、土壤、湖泊、温泉和矿区，可能在全球氮素循环中发挥着重要作用[6]。然而，AOB一直被认为是氨氧化过程的主要驱动因素，忽略了AOA在大范围的环境中对氨氧化的重要贡献，在某些极端环境下，如低氧环境中，AOA活性更强。

1.2 厌氧氨氧化菌与硝化菌在废水处理中的应用现状

PN/A工艺是利用AAOB和硝化菌的一种新型水处理工艺，与传统的硝化/反硝化脱氮工艺相比，可节省60%的曝气和近100%的有机碳，越来越受到人们的重视。近些年来，PN/A工艺已成功应用或探索其处理不同类型工业废水的潜在可行性，包括污泥消化液、垃圾渗滤液、谷氨酸钠废水、黑色废水、制药废水、猪场废水和半导体工厂废水等。

在PN/A过程中，AAOB与其他微生物的特性和相互作用主要涉及AOB和NOB，关键功能微生物之间的合作和竞争对厌氧氨氧化过程的稳定性和性能至关重要。AAOB作为一种关键的功能性菌，需要连续供应氨氮和亚硝酸盐氮，氨氮直接来自原废水，亚硝酸盐氮因其化学特性在大多数废水中含量很低，主要通过微生物代谢获得。在硝化过程中，AOB通过氨单加氧酶（Amo）消耗氨，产生亚硝酸盐氮，为厌氧氨氧化反应提供电子受体。

而NOB在足够的氧存在下，亚硝酸盐氮很容易通过羟胺氧化酶（Hao）转化为硝酸盐氮，争夺了厌氧氨氧化反应的基质。因此，PN/A系统中就需要DO含量足够低，抑制NOB的活性，厌氧氨氧化反应才能取得优势。

2 厌氧氨氧化细菌与反硝化菌的关系及应用

2.1 厌氧氨氧化细菌与反硝化菌的关系

传统的反硝化脱氮是还原过程，反硝化菌将亚硝酸盐氮和硝酸盐氮还原为气态氮化合物和氮气。亚硝酸盐氮作为硝酸盐还原过程的主要中间体，因亚硝酸盐还原酶和硝酸盐还原酶活性不同，亚硝酸盐的还原速率低于硝酸盐产生亚硝酸盐氮的速率，造成亚硝酸盐氮的积累，为AAOB提供亚硝酸盐氮。在反硝化过程中，许多环境因素也会导致亚硝酸盐氮的积累，主要包括：碳氮比（C/N）、碳源类型、pH、温度、亚硝酸盐浓度、氧气浓度和有毒化合物等[7]。

反硝化菌的另一种基质有机物，能够抑制厌氧氨氧化活性。当有机物浓度较高时，大部分亚硝酸盐氮被反硝化菌利用，从而抑制了AAOB活性。在污水处理系统中，为AAOB提供稳定的亚硝酸盐氮基质一直是厌氧氨氧化应用的瓶颈。除了亚硝化反应，反硝化反应也是一种提供亚硝酸盐氮的好方法。

2.2 厌氧氨氧化菌与反硝化菌在废水处理中的应用现状

SNAD工艺是一种新型的脱氮工艺，并因其优越性得到了广泛的应用。SNAD工艺建立了连续的生物反应过程，在这些过程中，微生物之间的生存过程会相互提供基质。反硝化细菌可以将硝酸盐氮还原成亚硝酸盐氮，AOB能够将氨氮转化为亚硝酸盐氮，部分反硝化和亚硝化反应都在为AAOB提供亚硝酸盐氮。SNAD工艺主要缺点是反硝化作用是有限的，这导致处理水中硝酸盐氮浓度较高。优化SNAD工艺，控制反硝化细菌数量被认为是提高脱氮性能的关键要求。

3 厌氧氨氧化菌与厌氧甲烷氧化菌的关系及应用

3.1 厌氧氨氧化菌与厌氧甲烷氧化菌的关系

污水可能是增加温室气体（N2O，NO，CH4）的一个重要源头，将氮元素有效地从废水中去除，对于减缓全球温室效应具有重要意义。依赖亚硝酸盐/硝酸盐的厌氧甲烷氧化（Nitrite/nitrate-dependent methane oxidation，N-damo）过程，可将废水中的甲烷、亚硝酸盐氮和硝酸盐氮作为反应物，从而得以去除。反应式如下：

当AAOB与N-damo菌在同一系统下均以亚硝酸盐氮为电子受体时，它们之间存在竞争关系。如果系统中氨含量过高，N-damo菌将会失去与AAOB的竞争能力，证明AAOB相较于N-damo菌具有更高的亚硝酸盐亲和力[8]。N-damo菌可以将甲烷转化为二氧化碳，产生的二氧化碳可以成为AAOB的无机碳源。厌氧氨氧化反应产生的硝酸盐氮，亦为N-damo提供硝酸盐氮基质。这种耦合最终将在厌氧条件下同时去除甲烷和氨氮，而不需要外部电子供体，AAOB和N-damo菌又表现出协同关系。在含有大量甲烷和氨氮的废水处理系统中，笔者测试了N-damo菌和AAOB共存的可行性。结果表明，在运行161 d后，建立了N-damo菌和AAOB等量的培养物，而且转化亚硝酸盐速率为0.1 kg/（m3·d）（17.2 mmol/d），说明该共培养技术在脱氮方面的应用是可行的[9]。这两种工艺的结合，将为污水处理系统的可持续发展提供更好的可能。

3.2 厌氧氨氧化细菌与厌氧甲烷氧化菌在废水处理中的应用现状

在污水处理系统中，将AAOB和N-damo菌共同培养可用于去除废水中残留的甲烷和硝酸盐氮。有研究表明，使用AAOB和N-damo菌结合的工艺，可以在不增加曝气的情况下有效去除出水中15%甲烷含量[10]。当亚硝酸盐氮变得有限时，AAOB丰度可能会超过N-damo菌，因为厌氧氨氧化细菌对亚硝酸盐底物具有更高的亲和力。过高的亚硝酸盐含量会严重抑制N-damo菌的活性，说明了亚硝酸盐氮的过度累积会对N-damo菌有害。因此，AAOB和N-damo菌应用于污水处理系统中时，要严格地控制系统中的亚硝酸盐氮浓度，才能更好地发挥系统的作用。另外，AAOB和N-damo菌生长缓慢，保持充足的生物量是至关重要的。膜生物反应器可以有效富集AAOB和N-damo菌，利用AAOB去除污水中氨氮和亚硝酸盐氮，N-damo菌去除甲烷、残留的亚硝酸盐氮和硝酸盐氮。

4 结论

AOB和AOA可以氧化氨氮为亚硝酸盐氮，为AAOB提供反应基质，表现出协同作用；AAOB和NOB最适宜的生境相异，并不会互相产生显著的影响。反硝化菌对亚硝酸盐的还原速率低于硝酸盐产生亚硝酸盐氮的速率，造成亚硝酸盐氮的积累，为AAOB提供亚硝酸盐氮；反硝化菌所需的另一种基质有机物，能够抑制厌氧氨氧化活性。AAOB与反硝化菌之间因环境不同，可能表现出协同或竞争关系。当AAOB与N-damo菌在同一系统下均以亚硝酸盐氮为电子受体时，它们之间存在竞争关系。N-damo菌可以将甲烷转化为二氧化碳，产生的二氧化碳可以成为AAOB的无机碳源。厌氧氨氧化反应产生的硝酸盐氮，亦为N-damo提供硝酸盐氮基质，AAOB和N-damo菌又表现出协同关系。