有一种细菌能让污水变清水的方法

厌氧氨氧化菌“红菌”是业内对厌氧氨氧化菌的俗称，通过生物化学反应，它可以将污水中所含有的氨氮转化为氮气去除。厌氧氨氧化菌是一类细菌，属于浮霉菌门，包括(CandidatusBrocadia)、(CandidatusKuenenia)和(CandidatusScalindua)(“Anammoxoglobus)属。它们至今未能成功分离得到纯菌株，因此尚未获得正式命名和分类。【详情】“红菌”是业内对厌氧氨氧化菌的俗称，通过生物化学反应，它可以将污水中所含有的氨氮转化为氮气去除。【详情】红菌是什么？通过生物化学反应，它能将污水中的氨氮转化为氮气除去。上世纪80年代末，在荷兰代夫尔特一个酵母厂的污水脱氮流化床反应器中，一个奇怪的现象被发现了，反应器中NH4+消失的同时有N2生成，可以判断这里面存在之前科学家推测的厌氧氨氧化反应。20世纪，全球人口增两倍，人类用水则激增五倍，约12亿人用水短缺，水资源短缺尤其是水质性缺水成了世界共同面对的资源危机，生活、工业、农业污水是污水主要来源，污水处理顺理成章成为新兴朝阳产业。污水生物处理的实质就是通过微生物的新陈代谢活动，将污水中的有机物分解，从而达到净化污水的目的。污水处理在水质改善的同时，还要求所采用技术低能耗、少资源损耗，厌氧氨氧化与亚硝化工艺相结合的氮的完全自养转换方式是一种最可持续的污水脱氮途径。厌氧氨氧化菌就是这神奇途径的承载者。新闻报道中称厌氧氨氧化菌叫红菌，这是为什么呢？厌氧氨氧化菌呈球形、卵形，直径约0.8-1.1μm，在自然界以及废水生物处理系统中,厌氧氨氧化菌丰度很低，几乎检测不到其活性，当其在生物膜上有低活性的时候，污泥就不是通常的黑色了，呈现为灰色，驯化一段时间后，随着菌数增加，污泥颜色转变为红棕色，由于厌氧氨氧化菌含有丰富的细胞色素,当其成为优势菌群时，成熟的厌氧氨氧化污泥呈现美丽的深红色,污泥颜色的变化也可用作厌氧氨氧化反应器启动进程的指示。由于这与众不同的红色，污水处理厂的工人们就俗称其为红菌。红菌的发现之旅：用于污水处理的微生物一直存在于自然界，但进入污水领域大显神通则因为人类的认识有早晚，则入门有先后。比如20亿年前就蓬勃存在的光合细菌，上世纪70年代起就成功用于有机废水工艺。但是一样广泛地存在于自然界中的厌氧氨氧化菌，其发现和应用就戏剧曲折多了。1977年，科学家推测自然界中可能存在化能自养微生物将NH4+氧化成N2,但一直没有实验证据支持，一直到上世纪80年代末，在荷兰代夫尔特一个酵母厂的污水脱氮流化床反应器中，一个奇怪的现象被发现了，反应器中NH4+消失的同时有N2生成，可以判断这里面存在之前科学家推测的厌氧氨氧化反应。科学家经过3年的重复，于1990年确证了这个代谢路径的存在，与硝化作用相比，厌氧氨氧化以亚硝酸盐取代氧，改变了末端电子受体；与反硝化作用相比，以氨取代有机物，改变了电子供体，化学反应式是这样的：NH4++NO2-→N2+2H2O红菌是怎样投入到污水处理的？1999年科学家使用密度梯度离心分离出红菌并投入实验。尽管厌氧氨氧化菌属于最古老的古生物菌，在自然界广泛存在，贡献了海洋中一半的氮气，应用到污水处理研发时，却因为条件苛刻、系统脆弱而推广速度缓慢。但这种神奇的细菌不容易控制，采用传统的系列稀释分离、平板划线分离、显微单细胞分离等微生物分离方法都以失败告终，1999年，荷兰科学家利用密度梯度离心的方法，第一次得到了厌氧氨氧化菌，约200到800个细胞中只含有1个污染细胞。遗憾的是时至今日，全世界都还未获得厌氧氨氧化菌纯培养菌株。庆幸的是众多科学家协同攻关，在2006年利用环境基因组学的方法完成了这一非纯培养菌株厌氧氨氧化菌的全基因组序列测定，发现200多个基因参与其氨氮的短程转化代谢过程。占细胞总体积的30%以上的厌氧氨氧化体是厌氧氨氧化菌中最为重要的也是最独特的细胞器，目前被假定为内共生起源的细胞能量产生体，这也是第一个从原核细胞中发现的独立产能细胞器，类似于真核细胞中线粒体的功能。厌氧氨氧化菌在缺氧条件下，无需有机物参与，可以直接将氨氮和亚硝态氮氧化成氮气，较之传统硝化反硝化反应较繁琐的电子传递过程,大大降低了能耗，是最经济的生物脱氮途径，脱氮成本仅为传统的十分之一，无疑成为污水脱氮处理的一个极富吸引力的方向。目前，在全球也仅10余座大型厌氧氨氧化废水处理厂。2002年，历经三年半的调试，荷兰鹿特丹建成的世界上第一座生产性质的，完全厌氧氨氧化污水处理反应器才最终达到稳定运行状态。厌氧氨氧化反应器启动过程实质是其内微生物活化和增殖的过程，由于厌氧氨氧化菌11天才能完成一个倍增，污泥产率系数较低，活性又易受到氧的抑制，启动时间通常要半年。之前世界上已建立大型厌氧氨氧化废水处理工程10余座，荷兰、德国、日本、澳大利亚、瑞士、英国都有，国内也有几家，历经7年化蛹成蝶的北京高碑店厌氧氨氧化污水处理厂算是国内目前比较大规模的。尽管厌氧氨氧化污水脱氮处理技术有卓越的优势，但作为生物处理，必然具有一般生物的局限性，比如抗冲击能力差，受环境影响大，对废水的有机物含量配比要求比较苛刻等。复合工程菌的开发与利用以及组合工艺的研究将成为厌氧氨氧化污水处理工艺未来的发展方向，细菌和微藻的协同作用也是一个热点。结语：在全球氮循环和污水处理中都大显身手的厌氧氨氧化菌，还有很多有趣的问题等待去探明，除了厌氧氨氧化作用之外的其他代谢途径，在不同环境中的分布情况，新种属的发现和纯培养的攻克。在理论夯实的基础上，如若能实现厌氧氨氧化菌的高效快速富集，将是克服污水处理应用瓶颈的跨越式技术进步。（出品|《求知》栏目组2012.11.26）