2014厭氧氨氧化?？蜓?/h1>
2014-07-19 11:42:15鄭平
生物工程學(xué)報(bào) 2014年12期
鄭平
浙江大學(xué)環(huán)境工程系，浙江 杭州 310058
2014厭氧氨氧化?？蜓?/p>
鄭平
浙江大學(xué)環(huán)境工程系，浙江 杭州 310058
厭氧氨氧化是環(huán)境微生物領(lǐng)域的重要發(fā)現(xiàn)，在廢水生物脫氮和地球氮素循環(huán)中具有重大作用。為了反映近年來國(guó)內(nèi)外厭氧氨氧化研究的一些重要進(jìn)展，組織出版了“厭氧氨氧化?？?。本期?？ňC述和研究論文兩部分，內(nèi)容涉及厭氧氨氧化的菌群富集、菌群分析、菌種保藏、碳源影響、工藝應(yīng)用、優(yōu)化對(duì)策等。
厭氧氨氧化，菌群分析，工藝性能，優(yōu)化對(duì)策
序 言
鄭平 浙江大學(xué)教授，博士生導(dǎo)師，環(huán)境工程國(guó)家重點(diǎn)學(xué)科負(fù)責(zé)人。自上世紀(jì)80年代初開始，長(zhǎng)期從事環(huán)境微生物與廢水生物處理方面的教學(xué)和科研工作。已承擔(dān)國(guó)家和省部級(jí)研究課題20余項(xiàng)，主編專著和教材10部，發(fā)表SCI論文150余篇，獲國(guó)家科技進(jìn)步/技術(shù)發(fā)明二等獎(jiǎng)2項(xiàng)，省部級(jí)科技進(jìn)步獎(jiǎng)6項(xiàng)。主講國(guó)家精品/資源共享課程《環(huán)境微生物學(xué)》等10余門，獲省部級(jí)優(yōu)秀教學(xué)成果一等獎(jiǎng)2項(xiàng)。2000年獲喀麥隆總統(tǒng)勛章，同年入選“浙江省新世紀(jì)151人才工程”一層次。
厭氧氨氧化 (Anaerobic ammonia oxidation, Anammox) 是在無氧條件下，以氨為電子供體、亞硝酸為電子受體，產(chǎn)生氮?dú)夂拖跛岬纳锓磻?yīng)。1977年奧地利理論化學(xué)家Broda E根據(jù)反應(yīng)熱力學(xué)分析，預(yù)言自然界中存在厭氧氨氧化。10年后荷蘭代爾夫特理工大學(xué)Mulder A等在生物脫氮流化床反應(yīng)器內(nèi)揭示了厭氧氨氧化。厭氧氨氧化一經(jīng)發(fā)現(xiàn)，即得到了微生物和環(huán)境工作者的青睞，厭氧氨氧化研究正持續(xù)向深度和廣度推進(jìn)。
厭氧氨氧化菌 (Anaerobic ammonia oxidation bacteria, AnAOB) 是厭氧氨氧化的實(shí)施者。厭氧氨氧化菌生長(zhǎng)緩慢，細(xì)胞得率較低，迄今尚未獲得純培養(yǎng)物。荷蘭代爾夫特理工大學(xué)Strous M等率先通過菌群富集培養(yǎng)、個(gè)體離心分離、種類分子生物學(xué)鑒定等非常規(guī)手段，研究了厭氧氨氧化菌的基本性狀，確定了它們?cè)谙到y(tǒng)發(fā)育中的分類地位，并在伯杰氏系統(tǒng)細(xì)菌學(xué)手冊(cè)中新增了厭氧氨氧化菌科(Anammoxaceae)。目前，文獻(xiàn)報(bào)道的厭氧氨氧化菌已有5個(gè)屬12個(gè)種。
厭氧氨氧化工藝 (Anaerobic ammonia oxidation process, ANAMMOX Process) 開發(fā)是厭氧氨氧化研究的熱點(diǎn)之一。通過反應(yīng)試驗(yàn)、菌群檢測(cè)和過程優(yōu)化，荷蘭代爾夫特理工大學(xué)Mulder A等率先開發(fā)了厭氧氨氧化工藝。后來與短程硝化工藝聯(lián)合，實(shí)現(xiàn)了厭氧氨氧化工藝在廢水生物脫氮工程上的應(yīng)用。至今，國(guó)內(nèi)外涌現(xiàn)了一批基于厭氧氨氧化的新型生物脫氮工藝，很有希望成為傳統(tǒng)廢水生物脫氮工藝的升級(jí)技術(shù)。
厭氧氨氧化脫氮通量檢測(cè)是厭氧氨氧化研究的另一熱點(diǎn)。厭氧氨氧化菌首先發(fā)現(xiàn)于人為生境 (生物脫氮流化床反應(yīng)器)中，后又發(fā)現(xiàn)于海洋生境中。研究證明，厭氧氨氧化作用普遍存在于各類人為生境和自然生境中，它是水體和陸地生態(tài)系統(tǒng)中氮素循環(huán)的重要驅(qū)動(dòng)者。
厭氧氨氧化基因組分析是厭氧氨氧化研究的又一熱點(diǎn)。由于生長(zhǎng)極慢，研究材料成了厭氧氨氧化菌生理學(xué)研究的瓶頸。但通過國(guó)際同行的協(xié)同創(chuàng)新，以反應(yīng)試驗(yàn)揭示了厭氧氨氧化菌的代謝多樣性，以酶學(xué)研究構(gòu)建了厭氧氨氧化菌中心代謝的框架，以基因組分析揭開了厭氧氨氧化菌生長(zhǎng)和繁殖的面紗?；诨蚪M分析的厭氧氨氧化菌生理學(xué)和生態(tài)學(xué)研究支撐了對(duì)厭氧氨氧化作用的深入探索。
我國(guó)于上世紀(jì)90年代初開始涉足厭氧氨氧化研究，發(fā)現(xiàn)命名了3種厭氧氨氧化菌，研究開發(fā)了多種高效厭氧氨氧化工藝，試驗(yàn)檢測(cè)了土壤、河流和近海生境中的厭氧氨氧化作用，最近又開展了厭氧氨氧化基因組分析，我國(guó)已成為國(guó)際厭氧氨氧化研究的重要力量。為了展示和交流國(guó)內(nèi)外厭氧氨氧化研究的進(jìn)展與應(yīng)用，探討其存在的問題和解決的辦法，促進(jìn)本研究領(lǐng)域的更好發(fā)展，特組織出版“厭氧氨氧化?？?。本期?？ňC述和研究論文兩部分，內(nèi)容主要涉及菌群富集、菌群分析、菌種保藏、碳源影響、工藝應(yīng)用、優(yōu)化對(duì)策等。
杭州師范大學(xué)張正哲等結(jié)合自己的研究，綜述了厭氧氨氧化工藝的現(xiàn)狀和問題。介紹了基于厭氧氨氧化的主要工藝，總結(jié)了厭氧氨氧化的工程應(yīng)用。預(yù)計(jì)到2014年末，全球厭氧氨氧化工程將超過100座。指出水質(zhì)障礙排除、運(yùn)行條件優(yōu)化、工藝自動(dòng)化控制將成為今后研究的重點(diǎn)。
北京工業(yè)大學(xué)鄭冰玉等結(jié)合自己的研究，綜述了污水處理系統(tǒng)中厭氧氨氧化菌分布及影響因素。介紹了污水處理系統(tǒng)中檢出的厭氧氨氧化菌及其分布情況，分析了若干關(guān)鍵因素對(duì)厭氧氨氧化菌分布的影響，闡述了研究厭氧氨氧化菌分布的工程意義。
浙江大學(xué)武小鷹等報(bào)道了對(duì)厭氧氨氧化工藝前置技術(shù)——短程硝化的研究。試驗(yàn)了膜生物反應(yīng)器的短程硝化性能以及氧對(duì)短程硝化的影響，通過對(duì)比耗氧率和供氧率，提出了以膜生物反應(yīng)器進(jìn)行短程硝化的優(yōu)化建議。
浙江大學(xué)陳重軍等報(bào)道了有機(jī)物共存對(duì)厭氧氨氧化工藝的影響。探索了有機(jī)碳源脅迫下厭氧氨氧化反應(yīng)器的同步脫氮除碳規(guī)律及功能微生物群落結(jié)構(gòu)的動(dòng)態(tài)變化，指出低有機(jī)物濃度 (COD 620 mg/L) 不會(huì)顯著影響反應(yīng)器脫氮效能，推測(cè)反應(yīng)器內(nèi)存在復(fù)雜的脫氮除碳途徑。
哈爾濱工業(yè)大學(xué)黃曉麗等利用膨脹顆料污泥床反應(yīng)器富集了高純度厭氧氨氧化菌，考察了反應(yīng)器的脫氮能力，并用分子生物學(xué)方法鑒定了培養(yǎng)前后厭氧氨氧化富集培養(yǎng)物的優(yōu)勢(shì)菌種及厭氧氨氧化菌的相對(duì)豐度。
中南大學(xué)宋雨夏等報(bào)道了他們對(duì)厭氧氨氧化反應(yīng)器啟動(dòng)過程中顆粒污泥性狀變化的研究。認(rèn)為以厭氧顆粒污泥作為接種物可成功啟動(dòng)上流式厭氧氨氧化污泥床反應(yīng)器，啟動(dòng)過程中顆粒污泥經(jīng)歷裂解到重組的過程，原接種污泥中的優(yōu)勢(shì)菌群豐度大幅減少，厭氧氨氧化菌所屬的浮霉?fàn)罹T豐度大幅提升。
青島大學(xué)李津等報(bào)道了他們對(duì)煙氣脫硝尾液厭氧氨氧化處理中微生物群落結(jié)構(gòu)的分析結(jié)果。以厭氧序批式反應(yīng)器處理火電廠煙氣脫硝尾液，反應(yīng)器內(nèi)的非厭氧氨氧化菌主要為：變形菌門 (61.18%)、酸桿菌門 (17.65%)、綠菌門(8.24%)；厭氧氨氧化菌主要為Candidatus Brocadia sp. (95.6%)。
杭州師范大學(xué)邢保山等介紹了他們對(duì)厭氧氨氧化顆粒污泥保藏的研究。培養(yǎng)了厭氧氨氧化顆粒污泥，試驗(yàn)了溫度對(duì)厭氧氨氧化顆粒污泥保藏的影響。
浙江大學(xué)丁爽等報(bào)道了短程硝化-厭氧氨氧化工藝在制藥廢水脫氮中的應(yīng)用。實(shí)現(xiàn)了短程硝化-厭氧氨氧化工藝對(duì)制藥廢水的生物脫氮，證明了“兩步法”啟動(dòng)模式對(duì)短程硝化系統(tǒng)啟動(dòng)的適用性，證明了菌種自繁和菌種流加啟動(dòng)模式對(duì)厭氧氨氧化系統(tǒng)啟動(dòng)的適用性。所取得的最大容積氮負(fù)荷高達(dá)6.96 kg N/(m?d)，為傳統(tǒng)硝化反硝化工藝的數(shù)十倍。
本期?？捻樌隹桥c各位專家的不吝賜稿和各位編輯的鼎力支持分不開的，在此一并致謝！
(本文責(zé)編 陳宏宇)
Preface for special issue on Anammox (2014)
Ping Zheng
Department of Environmental Engineering, Zhejiang University, Hangzhou 310058, Zhejiang, China
Anaerobic ammonia oxidation (Anammox) is one of the important discoveries in the field of environmental microbiology, and it plays an indispensible role in the nitrogen removal from wastewaters and the biogeochemical nitrogen cycle. Through review research progress in anaerobic ammonia oxidation, an Anammox special issue is published so as to find problems, explore applications and outlook developments. The special issue consists of reviews and original papers, mainly involving in the following aspects: i) enrichment of Anaerobic ammonia oxidation bacteria (AnAOB); ii) community analysis of AnAOB; iii) preservation of granular AnAOB sludge; iv) effect of organic matter on Anammox; v) application of Anammox process, etc.
anaerobic ammonia oxidation, microbial community analysis, bioprocess performance, optimization strategy
November 5, 2014
Ping Zheng. Tel/Fax: 86-571-88982819; E-mail: pzheng@zju.edu.cn
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鄭平
浙江大學(xué)環(huán)境工程系，浙江 杭州 310058
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鄭平
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序 言
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厭氧氨氧化 (Anaerobic ammonia oxidation, Anammox) 是在無氧條件下，以氨為電子供體、亞硝酸為電子受體，產(chǎn)生氮?dú)夂拖跛岬纳锓磻?yīng)。1977年奧地利理論化學(xué)家Broda E根據(jù)反應(yīng)熱力學(xué)分析，預(yù)言自然界中存在厭氧氨氧化。10年后荷蘭代爾夫特理工大學(xué)Mulder A等在生物脫氮流化床反應(yīng)器內(nèi)揭示了厭氧氨氧化。厭氧氨氧化一經(jīng)發(fā)現(xiàn)，即得到了微生物和環(huán)境工作者的青睞，厭氧氨氧化研究正持續(xù)向深度和廣度推進(jìn)。
厭氧氨氧化菌 (Anaerobic ammonia oxidation bacteria, AnAOB) 是厭氧氨氧化的實(shí)施者。厭氧氨氧化菌生長(zhǎng)緩慢，細(xì)胞得率較低，迄今尚未獲得純培養(yǎng)物。荷蘭代爾夫特理工大學(xué)Strous M等率先通過菌群富集培養(yǎng)、個(gè)體離心分離、種類分子生物學(xué)鑒定等非常規(guī)手段，研究了厭氧氨氧化菌的基本性狀，確定了它們?cè)谙到y(tǒng)發(fā)育中的分類地位，并在伯杰氏系統(tǒng)細(xì)菌學(xué)手冊(cè)中新增了厭氧氨氧化菌科(Anammoxaceae)。目前，文獻(xiàn)報(bào)道的厭氧氨氧化菌已有5個(gè)屬12個(gè)種。
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厭氧氨氧化脫氮通量檢測(cè)是厭氧氨氧化研究的另一熱點(diǎn)。厭氧氨氧化菌首先發(fā)現(xiàn)于人為生境 (生物脫氮流化床反應(yīng)器)中，后又發(fā)現(xiàn)于海洋生境中。研究證明，厭氧氨氧化作用普遍存在于各類人為生境和自然生境中，它是水體和陸地生態(tài)系統(tǒng)中氮素循環(huán)的重要驅(qū)動(dòng)者。
厭氧氨氧化基因組分析是厭氧氨氧化研究的又一熱點(diǎn)。由于生長(zhǎng)極慢，研究材料成了厭氧氨氧化菌生理學(xué)研究的瓶頸。但通過國(guó)際同行的協(xié)同創(chuàng)新，以反應(yīng)試驗(yàn)揭示了厭氧氨氧化菌的代謝多樣性，以酶學(xué)研究構(gòu)建了厭氧氨氧化菌中心代謝的框架，以基因組分析揭開了厭氧氨氧化菌生長(zhǎng)和繁殖的面紗?；诨蚪M分析的厭氧氨氧化菌生理學(xué)和生態(tài)學(xué)研究支撐了對(duì)厭氧氨氧化作用的深入探索。
我國(guó)于上世紀(jì)90年代初開始涉足厭氧氨氧化研究，發(fā)現(xiàn)命名了3種厭氧氨氧化菌，研究開發(fā)了多種高效厭氧氨氧化工藝，試驗(yàn)檢測(cè)了土壤、河流和近海生境中的厭氧氨氧化作用，最近又開展了厭氧氨氧化基因組分析，我國(guó)已成為國(guó)際厭氧氨氧化研究的重要力量。為了展示和交流國(guó)內(nèi)外厭氧氨氧化研究的進(jìn)展與應(yīng)用，探討其存在的問題和解決的辦法，促進(jìn)本研究領(lǐng)域的更好發(fā)展，特組織出版“厭氧氨氧化?？?。本期?？ňC述和研究論文兩部分，內(nèi)容主要涉及菌群富集、菌群分析、菌種保藏、碳源影響、工藝應(yīng)用、優(yōu)化對(duì)策等。
杭州師范大學(xué)張正哲等結(jié)合自己的研究，綜述了厭氧氨氧化工藝的現(xiàn)狀和問題。介紹了基于厭氧氨氧化的主要工藝，總結(jié)了厭氧氨氧化的工程應(yīng)用。預(yù)計(jì)到2014年末，全球厭氧氨氧化工程將超過100座。指出水質(zhì)障礙排除、運(yùn)行條件優(yōu)化、工藝自動(dòng)化控制將成為今后研究的重點(diǎn)。
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哈爾濱工業(yè)大學(xué)黃曉麗等利用膨脹顆料污泥床反應(yīng)器富集了高純度厭氧氨氧化菌，考察了反應(yīng)器的脫氮能力，并用分子生物學(xué)方法鑒定了培養(yǎng)前后厭氧氨氧化富集培養(yǎng)物的優(yōu)勢(shì)菌種及厭氧氨氧化菌的相對(duì)豐度。
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杭州師范大學(xué)邢保山等介紹了他們對(duì)厭氧氨氧化顆粒污泥保藏的研究。培養(yǎng)了厭氧氨氧化顆粒污泥，試驗(yàn)了溫度對(duì)厭氧氨氧化顆粒污泥保藏的影響。
浙江大學(xué)丁爽等報(bào)道了短程硝化-厭氧氨氧化工藝在制藥廢水脫氮中的應(yīng)用。實(shí)現(xiàn)了短程硝化-厭氧氨氧化工藝對(duì)制藥廢水的生物脫氮，證明了“兩步法”啟動(dòng)模式對(duì)短程硝化系統(tǒng)啟動(dòng)的適用性，證明了菌種自繁和菌種流加啟動(dòng)模式對(duì)厭氧氨氧化系統(tǒng)啟動(dòng)的適用性。所取得的最大容積氮負(fù)荷高達(dá)6.96 kg N/(m?d)，為傳統(tǒng)硝化反硝化工藝的數(shù)十倍。
本期?？捻樌隹桥c各位專家的不吝賜稿和各位編輯的鼎力支持分不開的，在此一并致謝！
(本文責(zé)編 陳宏宇)
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Ping Zheng
Department of Environmental Engineering, Zhejiang University, Hangzhou 310058, Zhejiang, China
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Ping Zheng. Tel/Fax: 86-571-88982819; E-mail: pzheng@zju.edu.cn
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