Neutropha的缺氧代谢途径研究进展王舜和

日.......口...目.目口..........丫犷N.eutropha的缺氧代谢途径研究进展王舜和,汪群慧“王建龙”刘宇红`(1天津市市政工程设计研究院,天津300051;2北京科技大学环境工程系,北京100083;3清华大学核能与新能源技术研究院环境技术中』心,北京100084;4内蒙古工业大学建工学院市政系,呼和浩特010062)摘要亚峭化单胞菌(Nitorsonzona,eutorpha)是峭化过程中一类常见的自养菌,它可以从氧化氛氮的过程中获得能童而生长繁殖。近期的研究发现,它并非只将氮氮氧化为亚峭酸盐氮,在一些特定的环境中往往会表现出更为复杂的代谢途径。人们着重对N.君utorPha菌种的缺氧代谢过程进行了细致研究,逐步揭示了反应机理,并对其应用前景进行了探讨。实验室小试和中试结果表明,缺氧代谢途径可以与厌氧氛氧化、短程峭化反峭化结合,提高工艺脱氮效率。关键词N.eutorPhaN认短程峭化反峭化厌氧氛氧化0引言传统生物脱氮方法包含两个步骤:好氧硝化和缺氧反硝化。参与这一过程的硝化细菌主要是两种自养菌:亚硝酸菌和硝酸菌。它们分别可以氧化氨氮和亚硝酸氮,从中获取能量而生长繁殖。短程硝化反硝化生物脱氮技术的兴起,使人们愈加注重对亚硝酸菌生理特性和反应特性进行研究。通过大量的试验人们发现,亚硝酸菌并非只将氨氮氧化为亚硝酸盐氮,在一些特定的环境中,往往会表现出更为国家自然科学甚金项目(59978020)。复杂的代谢途径。本文在综述亚硝酸菌反应特性的基础上,探讨其在缺氧条件下进行的代谢途径,及其在工程中的应用前景。1亚硝酸菌种类及代谢特性通过对以前研究成果的总结和序列数据的分析,除了Nitorsoeoecusoeeanus以外,其他所有亚硝酸菌组成了一个关系较近的谱系,它们同属于Portcobacteria科月一亚纲,包括Nitorsolobus属、iNtorsOPiar属和介在艺~:属,其中iNtor义X刀。浇“属的两个种分属于不同的亚纲,Nitorsococcu,阴口冤115和Nitor~:属关系较近,而从t~(1):215~2255陈平雁.3荃石13.0统计软件应用教程.北京:人民卫生出版社,2005.153~1586夏传涛,袁秉祥.无空列正交试验的设计及3毛石软件的数据处理.数理医药学杂志,2006,19(l):91~927G泊onr卿MC,3aterN,Ko面南nl、eey山caictvat曰sludgesyst.forr已泊rtarea明咫`te叭甩tert八,tr以”七W云七50Ikh.1995,32(9一10):105~1148UnerMO,GradyCPI`氏v目。户刊印tofdesignhe硕sticsforbiol嘟司e~ph万P抽ursr即幻valsyst~using压。Wi几Pm州幼gnoft比W白terE如朽ro扭1洲,ltF司匕atlon70山Ann回O知介~&E阅沐招iiton,州~I,waste“.etrlh叨切祀ntRaesecrha司M切币d间Waste钱.terrTaetr以组t.研陌ternEvironrn即tF团eration,月e粗助dZ认,认心ha,1997gD即阅dlnG,oG八加℃弥yMC,Wutcs址rK,et.alC仓eurrentnite币cation/deintirficationandbiolgoicalP.removalineyelieaetivatdeslu电ePlantsbyrdeoxeontorlldeeyelieopeartio几Wat.段LTee瓦1997,35(l):215~224eLslieCP,GlenGJ,Hen即TD,etal.氏01帷icalWasteawterTeranttent:eSconddEition,RevisedandExpand.ed北京:化学工业出版社,2003:180~181hSehabo,块ini呀erR,PortaF,etal.Opti而singphosphorusemorvalattheAnnArborwastewaterteartmentlPant.WatercSiTeehnol,1996,34(1~2):493~499M己kernnsD,L匕bsonADW,C冶!ler助EPar团汗记tesraffcetignibof匆司p腼phater~valf~明花比t~t.ernEvi找加,刀entInteyr功tioz拍1,20()4,30:249~259衣通讯处:南京市兴隆大街168号清竹园5一504电话:[phone]-Email:jay扣@163.eom收稿日期:2006一11一21修回日期:2007一03一0568给水排水vol.33增刊200,DOI:10.13789/j.cnki.wwe1964.2007.s1.059...........................................~............日.…月.即........丫犷、J、,I月,匕d了`、了`、oceaun、则是唯一属于y一亚纲的亚硝酸菌21[。研究发现,不同的菌属分别在不同的污水处理系统或生态系统中占据优势地位。其中iNt~阴砧艺ils多见于含盐废水,而短程硝化中的SHARON工艺、OIJAND工艺等则主要是由Nitorsonzoan:eutorPha完成的,这个菌种也是目前亚硝酸菌中代谢途径最丰富的:当02浓度大于。.smg/L时,N.eutorPha进行的是传统的好氧氨氧化过程;而q浓度低于0.8mgL/时,产物中的亚硝酸根会有部分作为电子受体,反应生成NO、N20、N:;当在缺氧环境中通人Nq,N.。utorPha还可以利用Nq进行反硝化反应,这时Nq的二聚物NZq就会代替氧的作用氧化NH才,这一过程即为亚硝酸菌N.。utorpha的缺氧代谢过程。1.1N.召utorhPa的好氧代谢特性N.。utorhPa将NH才氧化成亚硝酸需要进行两步反应,分别有两种酶参与作用。在有氧条件下,首先由AMO(氨单加氧酶)氧化按根生成经胺,然后在HAO(经胺氧化酶)的作用下,经胺与水反应生成亚硝酸根,见式(1)、式(2)。NH才+0.刃2+2。塑里NHZoH+H+△口-一120kJ/mol(l)NHZoH+HZo竺理N优+SH++4e山口)=一289kJ/oml(2)在这一氧化过程中,氧是电子受体,氨为电子供体。过程(2)中释放的4个电子中,两个由未知的电子传递体传递给AMO,另外两个进人呼吸链,在C552、C554、P46o等细胞色素中传递。电子最后可能会经C552传递给aa3(细胞色素氧化酶),最终以活化氧为电子受体,也可能传递给亚硝酸还原酶,用于反硝化作用。1.2N.。utorPha的缺氧代谢特性很多研究者都曾发现硝化过程中释放NO等氮氧化物的现象,但是在N.eutorpha的缺氧代谢途径发现以前,人们一直把NOx(NO/Nq)当作无用的副产物。自1997年起,cShmidt等闭对这一现象进行了大量的研究,逐步揭示了反应的机理,其归纳的反应方程式如式(3)所示。N践+从q+ZH++ZeeeN践OH+ZNO+践O△口=一140kJ/mol(3)与式(1)相比可以发现,在缺氧条件下,N20;代替了0:作为氨氧化反应的电子受体,反应中还有NO生成,反应式(l)和式(3)的自由能也有所差异。进一步研究发现,好氧和缺氧代谢特性只是AMO的催化途径有所不同,式(3)生成的NHZOH也要经过HAO的催化生成N咙,而且在有氧存在时,产物NO也可以进一步被氧化成NO:,为讨论方便,以上3种反应过程方程式的关系对比见表1。衰,N.创仇种的好级与缺权橄权化计.关系对比3[]反应条件}反应方程供氧供NOZ徽氧下供从尧NH3+q一HN02+ZH++ZeNH3十N2O’一HN场+ZNO+ZH++Ze2N0+场一ZNOZ一NZO;NH3+N2o’一HNq+ZNO+ZH++ZeNH3+q一HN场+ZH++Ze从总的化学计量关系看,在微氧供Nq和供氧条件下,反应过程(式(4)、式(6))是完全相同的。但实际上它们的反应机理却有很大差异,这主要表现在以下4点:(l)在氨氧化过程中,NZq为电子受体,并有副产物NO生成。(2)供氧充足条件下,经过乙炔处理的N.。utorhPa不能继续氧化NH才,而NZ04途径却不受影响。(3)AMO的活性部位—27亚单位的多肤Amoa在NZq途径中不能被[“C」乙炔标记,而当加人氧气后,标记过程立刻开始。(4)在厌氧条件下,生成的HNq还可发生下面的反应:HNq+3H++3e一0.5N2+ZHZO(7)由于参与了细胞循环生成从,使得.NeutorPh在s反应中Nq副产物总量相对下降。由此Shcmidt等6j[提出了缺氧代谢的假想模型,在这一模型中,NOx(NO/Nq)的存在起到了纽带的作用,它们之间不断循环转化,使得认转化为缺氧条件下活性更强的NZq从而实现AMO对NH:的氧化过程。2N.eu(tr护加的缺权代谢途径应用2.1与厌氧氨氧化的结合厌氧氨氧化是指在厌氧条件下,厌氧氨氧化菌给水排水vd.33增刊200,6,...--...............咐犷以亚硝酸根为电子受体,直接将NH才转化为从。厌氧氨氧化菌是最近发现的新菌,属浮酶状菌(尸Z口刀以份叹式eset)的一个分支,在污水处理系统中比较常见的有.Baan~xidasn和K.sttuttga雌诬郡台两种。由于亚硝酸根浓度超过5mM或q浓度超过2拌M就会抑制厌氧氨氧化活性[,〕,Sehmidt等首先尝试了以N.eutorpha:与B.aanm~idan:混合培养的研究,一方面N.eutorphas可以消耗残余02为厌氧氨氧化创造条件,此外,B.aan~xidan:可以利用产生的亚硝酸根直接进行反硝化反应,这就使空间上彼此独立的硝化和反硝化过程可以通过一步完成。试验中cShmidt等首先考察了Nq对B.aan~xidasn的影响。结果显示,随着NO:浓度的上升,氨氮和亚硝酸氮的消耗量以及硝酸氮的生成量都有明显提升,当Nq为50ppm时,氨氮和亚硝酸氮的转化率达到最大值,几乎是未通人Nq时的2倍。此后,继续升高NO:含量就会造成活性缓慢下降(见图1)。B.aan~。xidasn的生长速率也有所变化,0ppm、50ppm、200ppm下分别为0.o03h一`、0.O04h一`、0.002sh一`。Nq的通人还会影响到B.aanm~idan:对N压/NH3的比率(见表2)。衰2Nox对阵万/M飞消耗比率的影响[’]NNN仪/pPmmm通人N伍下下通人NO下下NNNNN衡/NH3的比率率N咙/NH3的比率率000001.33331.3000lll0001.32221.44442225551.30001.39995550001.28881.377711100001.29991.499911150001.28881.344422200001.25551.50006660000未试验验1.533311100000未试验验2.5888降到0.82。测定发现,加人N.。utorPha:后体系消耗的NH3有所增加,而N氏的消耗却没有变化。这表明N.eutorPhas反应产生的N研直接被B.aan~xidan:所利用,因而才没有出现亚硝酸的累积情况。当不保持细胞数量恒定时,Nq对B.aan~xidan:与N.。utorPha:的生长都有很大促进作用,B.aan~xidasn的细胞数量上升了1.4倍,而氨氧化活性却上升了2倍,这体现了N.。utorPha:在体系中的良好适应性,以此构建的反应途径和化学计量关系见图2。图2中med代表新基质,er。代表反应器。困·(d)N02二心一`~NO王.吧dNH二,NNNO玉玉NH京二户~女)理十二图1Nq对Raan~oxida,:活性的影响4[]随后进行了两菌种混合培养试验。最初在培养基中接种的B.。nammoxidans与N·eutorphas细胞数量之比为2X106,1,试验中保持B.aan~oxidan:细胞数量