厌氧氨氧化的简介——李权全解

2019年10月21日高等微生物厌氧氨氧化（Anammox）厌氧氨氧化的发现与发展厌氧氨氧化菌的介绍厌氧氨氧化的反应机理厌氧氨氧化的工程应用2019年10月21日高等微生物Anammox的发现与发展1977年，Broda根据自由能的变化，预言自然界中存在着能催化亚硝酸和硝酸氧化氨的细菌，认为它们是隐藏于自然界的自养型细菌。1995年，Mulder和Kuene等用流化床反应器研究生物反硝化时，发现了氨氮的厌氧生物氧化现象，从而证实了Broda的预言。1998年，荷兰Paques公司和代尔夫特理工大学（TUDelft）于首次发展了厌氧氨氧化反应器。2002年，世界第一座Anammox工业化生产反应器在荷兰鹿特丹污水处理厂投入运行。2006年，Strous等人完成对厌氧氨氧化菌的宏基因组测序2019年10月21日高等微生物Anammox细菌的特征：一．个体形态特征：厌氧氨氧化菌形态多样,呈球形、卵形等，直径0.8-1.1μm。厌氧氨氧化菌是革兰氏阴性菌。细胞外无荚膜。细胞壁表面有火山口状结构，少数有菌毛。.细胞内分隔成3部分：厌氧氨氧化体(anammoxosome)、核糖细胞质(riboplasm)及外室细胞质(paryphoplasm)一．生理生化特征：厌氧氨氧化菌为化能自养型细菌,以二氧化碳作为唯一碳源，通过将亚硝酸氧化成硝酸来获得能量，对氧敏感。2019年10月21日高等微生物三、特殊的细胞膜其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，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。目前EliasCorey已经在实验室构造出该脂质的结构。2019年10月21日高等微生物Anammox的反应机理一．反应方程式其中包括了分解代谢，合成代谢。1.分解代谢：2.合成代谢：其中NO2-具有双重作用，一是作为厌氧氨氧化反应的电子受体；二是作为无机碳源固定的电子供体。2019年10月21日高等微生物二、厌氧氨氧化的代谢过程1、1997年，VandeGraaf等通过15N标记实验发现：厌氧氨氧化是以NO2-而不是NO3-为电子受体。羟胺和联氨ANAMMOX反应的重要代谢中间产物，羟胺可能来自NO2-，联氨转化为N2的过程被假定为给NO2-还原成羟胺提供电子。而且有少量的NO2-转化为NO3-，可能是为了给厌氧氨化菌固定碳提供电子。2019年10月21日高等微生物NiR：亚硝酸还原酶CytC:细胞色素C氧化酶HZO：可以催化氧化联氨的一种酶，它可以与羟胺结合，但不会对它进行催化氧化HH：联氨水解酶2019年10月21日高等微生物2、2006年，Strous通过对厌氧氨氧化菌的宏基因组图谱分析提出了氮元素的转化过程主要分三步：Nir：亚硝酸还原酶HZS：联氨合成酶HDH：联氨水解酶2019年10月21日高等微生物过程分析：从厌氧氨氧化菌中分离获得的HAO它不能将羟氨转化成亚硝酸，只能将其转化成NO或N20.该酶可以催化氧化联氨，但对羟氨的亲和力更强。补充说明：在联氨氧化成氮气的过程中,可产生4个电子,这4个电子通过细胞色素c、泛醌、细胞色素bc1复合体以及其他细胞色素c传递给NiR和HH,其中3个电子传递给NiR,1个电子传递给HH.伴随电子传递,质子被排放至厌氧氨氧化体膜外侧,在该膜两侧形成质子梯度,驱动ATP合成2019年10月21日高等微生物3、比较分析1）、厌氧氨氧化过程中亚硝酸盐确实变成了NO。2）、与之前科学家们猜测的NO2-被还原成NH2OH极大地不同。更令人惊讶的是，经过大量的试验证实，厌氧氨氧化菌内根本不存在羟氨合成酶。3）、根据宏基因组测序，厌氧氨氧化菌还存在一种特殊的酶（Kustc1061），它能将NH2OH氧化成NO，这就解释了为什么NH2OH也能促进厌氧氨氧化反应的试验现象。2019年10月21日高等微生物Anammox的影响因素影响因素pH泥龄（越长越好）氧温度（30~35）超过45会不可逆失活基质浓度有抑制作用，微氧条件(0.5%空气饱和度)可完全抑制，但该抑制作用是可逆的；大于18%空气饱和度，菌群不可恢复。承受限度（6.7~8.3）影响基质的有效性亚硝酸盐是一种的毒性基质，一旦浓度过高，会对厌氧氨氧化菌产生明显的抑制作用；氨浓度和硝酸盐浓度低于1000mg/L2019年10月21日高等微生物Anammox的工程应用Sharon-Anammox工艺是一种将短程硝化和厌氧氨氧化联合的脱氮工艺（荷兰Delft大学2001年开发的）。CANON工艺是一种在同一个反应器内实现亚硝化和厌氧氨氧化的脱氮工艺（荷兰Delft大学2001年开发的）。2019年10月21日高等微生物Sharon-Anammox工艺一．基本原理在两个反应器内，先在一个反应器内有氧条件下，利用氨氧化细菌将NH4+氧化生成NO2-；然后在另一个反应器缺氧条件下，以NH4+为电子供体，将NO2-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一．优点分别在两个反应器内实现部分硝化和厌氧氨氧化，能优化两类细菌的生存环境，运行性能稳定。2019年10月21日高等微生物CANON工艺一．基本原理亚硝化菌在有氧条件下把NH4+化成NO2-，厌氧氨氧化菌则在无氧条件下把NH4+和NO2-转化为N2，即利用亚硝化菌和厌氧氨氧化菌的协同作用，在同一个反应器中完成亚硝化和厌氧氨氧化。NH4++1.5O2→NO2-+H2O+2H+NH4++1.3NO2-→1.02N2+0.26NO3-+2H2ONH4++0.85O2→0.43N2+0.13NO3-+1.3H2O+1.4H+二、优点限氧条件下进行节约供氧量理论上节约供氧62.5%硝化50%的氨氮控制在亚硝化阶段节约碱度50%2019年10月21日高等微生物Anammox优势降低能耗：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。能源回收：厌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2019年10月21日高等微生物