详解｜厌氧氨氧化菌的发现、价值和应用

厌氧氨氧化指的是在缺氧条件下以亚硝酸盐为电子受体将氨氧化为氮气的过程．该过程由一类独特的、被称为“厌氧氨氧化菌”的专性厌氧微生物催化完成。

最新发现的浮霉菌门(Planctomycetes)的一员，属于严格厌氧自养菌，它能以氨氮(NH4+)为电子供体，亚硝氮(NO2-)为电子受体，将氨氮(NH4+)和亚硝氮(NO2-)直接转变成氮气(N2)。作为细菌域浮霉菌门的成员，厌氧氨氧化菌具有与普通原核细菌显著不同的细胞结构，厌氧氨氧化菌的发现，对于研究地球氮循环、丰富微生物理论以及开发新型生物脱氮工艺均具有巨大的推动作用。

发现

Gist-Brocades酵母厂位于荷兰鹿特丹市市中心，由于工厂产生大量臭鸡蛋味的气体和含硫废物，因此该厂并不受当地人欢迎。为了讨好厂区附近的邻居，该公司设计了一道除味的工艺，就是用厌氧池来取代密闭出水。因此该厂将80年代中期建的一所中试改成厌氧池，使得硫化物浓度有所下降。但是，当居民在呼吸上松了一口气后，厂里的工人们却注意到了一个奇怪的现象。道理上，氨需要氧进行降解，所以工程师认为厌氧池中的氨氮浓度应该保持不变。但是几个月后，氨浓度仍继续降低，并且开始产生氮气。

出于好奇，该工厂联系了戴尔福特工业大学的生物学家Gijs Kuenen。Kuenen猜测可能是厌氧菌的作用，厌氧菌可能会利用氨和亚硝生成氮气和水。细菌能够进行厌氧氨氧化或厌氧氨氧化反应的观点大约在10年前就已经被提出，但大部分微生物学家都持怀疑态度，因为之前从来没有发现过这种菌，并且也从没见自然发生过。

Kuenen意识到神奇的厌氧氨氧化菌可能会提供一个新的污水处理方法，如果在其他地方也有所发现，那么该菌在自然界中将会非常重要。所以Kuenen决定要研究一下。他的前博士生Marc Strous说“这是一个勇敢的举动，”Marc Strous目前在荷兰的内梅亨大学，“Kuenen开始研究一些他所有同事都认为不存在的东西。”

作用

电子显微镜有助于揭开未知世界。一次近距离的观察发现，这些微生物体都居住在一个陌生的、内部的、膜结合的隔室内。这是个很大的惊喜，因为就好像跟人类本身细胞一样，只有更加复杂（或真核）的细胞才有这种隔室，我们称为细胞器。简单的“原核”细胞和细菌都没有细胞器。目前我们只知道一种菌，浮霉菌，具有这种结构，因此证明这种微生物属于该门。

浮霉菌非常奇特，因为它同时含有生活中细菌、真菌和古菌三大菌属的功能，因此有些人认为该菌在早期可能跟三大菌属是同一个祖先。DNA的研究将它们明确归类为细菌属。但是他们的内部细胞器使它们更像真菌。同时，该微生物细胞壁中缺少刚性聚合肽聚糖，这使得它们又类似于单细胞膜的古菌。Strous说“它们的出现模糊了细菌的定义”。

我们并不知道浮霉菌能否进行厌氧氨氧化反应，但Kuenen的团队用氨和亚硝培养出了厌氧氨氧化菌，并观察到培养底物的消失。基因分析证实了该微生物，它们临时命名为Brocadia anammoxidans；anammoxidans是它们独特的生物化学特性，Brocadia是它们被发现的地方，由于该菌鲜红的颜色从而留给研究者们美好而深刻的印象。

文章发表以后，所有同事的观点一夜之间全部都改变。MikeJetten也是内梅亨大学微生物学家，并且继续从事该项工作，他说“这是一个真正的转折点”。在文章发表前，多数微生物学家不相信会发生厌氧氨氧化。但这之后，该理论得到了广泛的认同，并且厌氧氨氧化菌在地球氮循环中也有了它们应有的位置。

氮循环可以将稳定的氮气转换成更加有用的形式，例如氨和硝酸盐离子，然后再返回成氮气，从而维持全球氮平衡（见背面图）。氮气通过固氮微生物直接转换成氨，例如土壤中与之相关的植物根系。植物和动物消耗氨，而当他们死亡并分解后又将其释放出来。下一步是硝化菌和古菌将氨转换成亚硝酸盐和硝酸盐，然后反硝化微生物再将硝酸盐转换成氮气补给到大气中，该循环结束。而厌氧氨氧化在整个循环过程中走了个捷径，创造了一个由氨和亚硝直接转换成氮气的途径。

实际上，这些细菌能拥有这么一种绝技已经是足够卓越了。但是当研究者研究它们是怎么做到时，又出现了更多的惊喜。研究结果显示，厌氧氨氧化反应发生在胞内膜或厌氧氨氧化体中，且产生联氨作为中间产物。为什么该菌会产生联氨（一种强效的火箭燃料）？并且这种爆炸分子在自然的任何地方都找不到。Jetten说“我们仍然困惑的是发生了什么”。

价值

或许该过程需要高能联氨来驱动厌氧氨氧化反应。但是并不知道这些细菌是怎样管理它们产生的有毒的联氨并且不杀死细菌本身。由于联氨能够在细胞膜间轻松的扩散，所以Jetten怀疑厌氧氨氧化体的生物膜绝对是不同寻常的，该生物膜能防止肼扩散，甚至有些情况下可以包含危险载体。

他联系了来自NetherlandsInstitute从事海洋研究的脂质专家Jaap Sinninghe Damsté，并一起分析了细胞器膜。其结果又是一项非凡的发现。“我们将结果其展示给阿姆斯特丹大学的有机化学家们，而他们说这些都是不可能的” Damsté说。

这些生物膜的脂质由五个碳环融合在一起形成一个密集的阶梯。这种“梯形烷”脂质是独特的，因为它需要大的能量建成，并且很不稳定。可以认为，这种结构使得该膜非常致密，所以能够阻止联氨泄漏到细胞其余地方。“这完全是一个谜，大自然怎会创造出这种脂质”来自哈佛大学的有机化学家兼诺贝尔奖获得者Elias Corey说道，目前Elias Corey已经在实验室构造出该脂质的结构。科学家们目前正在解析该菌的基因组，目的是想解释这种生物膜是怎么形成的。荷兰团队已经对生产这种脂质的工艺申请专利，希望微电子产业能够为这种坚不可摧的膜提供一个用武之地。

厌氧氨氧化菌最实际的应用在于污水的处理。污水厂和一些制造化肥或精炼石油的工厂会产生数百万升富含氨的废水，所有的这些含氮废水都需要降解掉。传统方法是使用硝化菌将氨转换成亚硝酸盐或硝酸盐，然后反硝化菌再将其还原成氮气。硝化过程的微生物需要氧气，并且需要巨量的氧气，因此一些机器就要耗费大量的电来为这些污泥进行曝气。不但如此，反硝化过程还需要外碳源，例如甲醇，甲醇燃烧又会产生二氧化碳。所以，这种工艺是代价高昂的，不仅占用大量空间还对环境不好。

而厌氧氨氧化污水处理工艺的形成，提供了重要的优势。厌氧氨氧化菌能够利用氨作为他们的能源，这就不需要再用昂贵的甲醇。并且该反应不需要氧气，所以厌氧氨氧化工艺会消耗更少的电量。该工艺不仅不产生二氧化碳，反而还会消耗它，所以该工艺是非常环保的。总之，与传统的工艺相比，厌氧氨氧化工艺会减少90%的运行费并节省50%的空间面积。

荷兰Paques公司，总部位于Balk，该公司已经开发出第一个厌氧氨氧化反应器。原型已经建成，并且作为鹿特丹城市污水处理厂的一部分，现在运行良好。

虽然厌氧氨氧化很可能成为污水处理中重要的一部分，但是它在广阔的世界里中作的用可能是更深远的。海洋学家对厌氧氨氧化的研究推断，如果该反应能够在缺氧池中进行，那么也可能在海洋中的部分贫氧区发生，有助于海洋中氮循环。如果是这样的话，这将会解决一个40年之久的海洋之谜。

在60年代中期，来自西雅图华盛顿大学的Francis Richards注意到，在缺氧的海湾，氨总是莫名其妙的减少。他推测这些氨一定是在厌氧条件下被氧化成氮气，要么是无机的，要么是通过一些未知的微生物。当时，海洋学家觉得这个想法很荒谬。

但是到了2001年12月，来自德国不莱梅马克斯普朗克研究所的Marcel Kuypers（从事海洋微生物研究）和它的同事决定去黑海对厌氧氨氧化菌进行调查，而黑海则是全球最大的缺氧流域。

这个团队从水下85到100米深的地方取水样，因为在该深水层氧气是不存在，并且发现该水层中只含有微量的氨。正如推测的那样，海洋中也发现了厌氧氨氧化菌，这也是他们首次在海洋中发现该菌。厌氧氨氧化菌是异常高效的，并且认为海洋中氮气的产生，一半是来自厌氧氨氧化菌。该现象迫我们使对全球氮循环进行一次重大的反思，并且慢慢说服海洋学家反硝化菌并不是唯一产生氮气的群体。

在确定了厌氧氨氧化菌的存在后，我们也同样对它们在这个星球上的能力进行了验证。发现，厌氧氨氧化菌无处不在的，在淡水中、咸水中、公海、海洋沉积物以及污水处理厂都有发现。“有一天你发现了一个被认为是不可能的现象，”Kuenen说，“然后10年后这种现象被证实是无处不在的，并且在全球范围都是很重要的。它们甚至可能躲在你的厨房水槽的排水系统中。”

优势

厌氧氨氧化工艺相比传统硝化-反硝化工艺，该过程可降低50%的曝气量、100%的有机碳源以及90%的运行费用，且污泥产率低，以厌氧氨氧化为主体的污水处理工艺的研究和开发，给我国目前污水处理界面临的低碳氮比废水脱氮难、能耗高、污泥产量大等问题带来了曙光。

优势一：降低能耗

由于厌氧氨氧化工艺是在厌氧条件下直接将氨氮和亚硝氮转化成氮气，同时在好氧段只需将氨氮氧化为亚硝氮，省略后续亚硝氮氧化为硝态氮，所以节省了曝气量，降低了电耗。

优势二：能源回收

厌氧氨氧化菌将传统反硝化过程所需的外加碳源全部省略，污水中的有机物可最大限度的进行回收产甲烷，而不是被氧化成二氧化碳。产生的甲烷又可以作为能源重新利用。

厌氧氨氧化污水处置工艺

1.亚硝酸处置工艺

此种处置办法是利用率最高的厌氧氨氧化污水处置工艺，具体处置进程可划分成2个环节，每一环节都有相应的容器与反应条件。第一环节为亚硝化处置时期，将污水中50%的氮、氨原酸变成亚硝态氮；第二环节，则是厌氧氨氧化处置把污水里多余的氮氨元素以及第一环节获得的亚硝态氨变成氨气。

此处置进程可完成污水脱氮工作，并且具备4大优势，主要体现为：首先，第一环节反应形成的亚硝态盐是一种碱性物质，能和厌氧水形成的重碳酸盐产生反应，实现酸碱中和。第二，在此处置进程中，每一环节反应在相应容器内，能最大化地为性能菌供应良好的成长氛围，进而减少进水物质的制约作用。第三，亚硝化处置手段是一种联合工艺，具体操作进程比较便捷，并且对pH值要求广泛。最后，亚硝化处置进程减少了N2O与NO等温室气体释放量，不会破坏环境。

2.全自氧脱氨处置工艺

CANONO是全自氧脱氨处置工艺的简称，一般运用溶解氧掌控完成厌氧氨氧化反应，在污水处置进程中，自养菌能把水体中的氨氮等元素变成N2，以此达成脱氧目的。展开处置过程要在氧氛围下展开，涉及的化学反应主要有厌氧氨氧化反应与亚硝化反应，形成氮气与亚硝胺。

在这一进程中，反应所需的厌氧氨氧化菌与亚硝氮菌都在自养型细菌范围内，所以全自氧脱氨工艺的污水处置进程要持续加入其余有机物，在无机自氧氛围中自主展开反应。然而利用全自氧工艺，要在污水处置的整个流程中对工艺实施氛围展开并进行充分掌控，保证亚硝酸盐与氧气可以维持均衡，进而确保反应的正常开展。

厌氧氨氧化污水处置工艺的实际运用

1.污泥液废水处置

在污泥液废水处置过程中运用厌氧氨，最为常见的便是污泥硝化液与污泥压滤液，一般状况下温度要掌控在31-36 ℃之间，酸碱值要掌控在7.1-8.4之间，只有在此基础上，才能确保厌氧氧化菌顺利成长。

西方国家的专业人士对这一处置技术展开了长期的反复研究，在二十一世纪初期打造出首台亚硝化一厌氧氨氧化组合反应器，且充分把其运用在Dokhaven污水处置场内。自此之后，其余国家纷纷运用厌氧氨氧化技术针对污泥液废水的处置进行了诸多研究与实验，因为此项技术拥有水量少、水温高、高氨氮以及低碳氮等特点，实质上这同样是厌氧氨氧化技术运用的初始处置目标。

因此，全球大部分厌氧安全氧化工程均采用了污泥液处置技术，并有大量成功经验。然而因为条件受限，厌氧氨氧化进程中硫化物的干扰和降低释放量的对策在探究与研发中依然存在诸多技术漏洞。

2.垃圾渗滤液处置

此滤液的特征是氮含量较多，水质变化、有机物浓度大，容易产生重金属等不良物质，是一种繁杂的污水成分。氨氮浓度通常为2000mg/L，并会随着垃圾搜集时间的推移渐渐增加。在短程硝化一厌氧氨氧化进程中，已有新兴技术被试验过，然而由于其具备诸多有害物质，因此让厌氧氨氧化功效大大降低。如要进行高效可靠的运作，还要合理协调与限制微生物菌群中的渗滤液，继续探究与改善相关技术。

3.城市生活污水处置

伴随我国国民经济的飞速发展与城市化进程的不断推进，城市生活污水与工业废水也随之增加，若想对其展开高效处置，保护城市生态环境，就一定要挑选一种处置效果显著的污水处置技术，且把处置后的水进行二次循环运用，此问题现已变成国内急需解决的首要问题。

因为城市污水内拥有诸多磷酸盐、氨氮以及有机碳等相应物质，而此种水环境恰恰是脱氧微生物成长繁衍的良好氛围，因此在污水处置进程中积极运用厌氧氨氧化展开污水的高效改善与循环运用，可以做到污水厂能源自给自足。

然而在实践中，若是水温较低，尤其是在冬天时，运用此项技术对污水展开处置便有一定难度。即使外国有关此方面的学者取得了较大研究成就，并且在中试阶段也取得不小成绩，为实现污水处置厂能源自给自足奠定良好基础，然而在现实运用中，依然备受其余外部要素的干扰，例如怎样做到整体扩增、在温度较低的氛围下如何提高菌群活性等相关问题均需要处理。

4.牲畜养殖污水处置

此污水成分繁杂、水体波动大、COD浓度高、有机氮含量多等特征。利用之前的脱氮技术处置牲畜废水，不但耗能多，并且需要供应碳源，脱氮成效不显著。厌氧氨氧化工艺延续以往工艺的优势，可以变成处置此种废水的顶替技术。现阶段，对牲畜养殖进程中形成的废水运用厌氧技术展开处置后，依然有诸多漏洞，需要改善工艺，探究清理厌氧氨氧化菌成长阻碍的措施，从而确保牲畜废水处置效率和质量。

比如：在展开猪场废水处置时，因为其废水中存在饲料、猪便等因素，所以利用厌氧氨氧化处置工艺对其展开处置时要放在SBR容器内实施，反应温度要控制在32 ℃左右，HTR是1.2天。研究显示，利用此技术能清除99%的NH3-N与98%的NO3-N。

5.低氨氮废水处置

厌氧氨氧化处置工艺在低氨氮废水处置进程中同样能发挥良好效果，相关人员在对其展开探究时发现：利用此工艺能把低氨氮废水内的94%NH3-N去除，清除NO3-N的效果更佳。还有学者发现，运用厌氧折流板反应器展开脱氨氮处置，经过处置后得到的水质稳定性较高，所以，厌氧氨氧化处置在低氨氯废水处置方面同样有着良好的发展空间。

厌氧氨氧化处置工艺是一种高效的污水处置技术，在污泥液废水处置、城市生活污水处置、牲畜养殖污水处置、低氨氮废水处置等方面均有所应用，并且效果理想。然而，其在实际操作进程中依然存在一些漏洞，需要不断优化和改良，找到去除对厌氧氨氧化菌成长不利的因素。