反硝化型厭氧甲烷氧化微生物的研究進(jìn)展

秦 帆，盛光遙，李長(zhǎng)鑫，湯明芳，何岸飛，姜 晶，丁 靜

（蘇州科技大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，江蘇 蘇州 215009）

甲烷（CH4）是一種溫室氣體，其溫室效應(yīng)能力是CO2的20～30倍，對(duì) 全 球變暖的貢獻(xiàn)率約 為22%〔1〕。自然環(huán)境中的甲烷主要來源于有機(jī)物的厭氧氧化，但大部分甲烷在到達(dá)大氣圈之前已經(jīng)通過微生物的好氧氧化和厭氧氧化過程被消耗。其中，厭氧甲烷氧化（AOM）過程可以結(jié)合多種電子受體，最早根據(jù)地球化學(xué)質(zhì)量平衡計(jì)算得出。硫酸鹽是海洋環(huán)境中主要的電子受體之一〔2-4〕，硫酸鹽型厭氧甲烷氧化（SAMO）是海洋環(huán)境中主要的甲烷匯。之后，AOM也被發(fā)現(xiàn)可以以硝酸鹽/亞硝酸鹽〔5〕、鐵（水鐵礦）/錳（水鈉錳礦）〔6〕和腐殖酸〔7-8〕作為電子受體。在淡水濕地中，AOM每年約消耗2×108t甲烷，可減少50%以上的潛在甲烷排放量〔9〕。因此，AOM是控制和調(diào)節(jié)淡水、海洋環(huán)境中甲烷循環(huán)和排放的關(guān)鍵過程。

在淡水環(huán)境中，硫酸鹽濃度較低，且由于現(xiàn)代農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中氮肥的大量施用，NO3-/NO2-成為淡水環(huán)境中AOM的主要電子受體。并且，反硝化型厭氧甲烷氧化（DAMO）過程已具備熱力學(xué)與生物化學(xué)理論基礎(chǔ)〔10〕，化學(xué)方程式表述如下：

但直到2006年，A.A.RAGHOEBARSING等〔5〕才通過富集培養(yǎng)發(fā)現(xiàn)了AOM耦合反硝化的實(shí)驗(yàn)證據(jù)，他們利用克隆測(cè)序和熒光原位雜交（FISH）技術(shù)在富集菌群中成功檢測(cè)到了DAMO微生物。進(jìn)一步地，當(dāng)NO3-作為電子受體時(shí)，DAMO古菌和DAMO細(xì)菌共同代謝催化DAMO反應(yīng)；當(dāng)NO2-作為電子受體時(shí)，DAMO細(xì)菌則可單獨(dú)催化DAMO過程〔1〕。Baolan HU等〔11〕研究發(fā)現(xiàn)，濕地環(huán)境中的亞硝酸鹽型DAMO過程每年可消耗4.1×109～6.1×109kg甲烷，約占濕地環(huán)境中甲烷匯的2%～6%。因此，DAMO對(duì)于充分了解地球上的甲烷循環(huán)以及量化甲烷匯具有重大意義。同時(shí)，隨著全球范圍內(nèi)氮污染的加劇，以氮化合物作為電子受體的DAMO過程值得更深入的研究。

DAMO微生物雖然在自然生境中分布廣泛，但生長(zhǎng)速度緩慢，倍增時(shí)間在2周以上〔12〕，富集時(shí)間一般在5～16個(gè)月〔13-15〕，限制了對(duì)其研究的廣泛開展。目前，關(guān)于DAMO微生物的代謝機(jī)理、富集影響因素以及工程應(yīng)用潛力等問題尚未完全清晰。推進(jìn)DAMO研究有利于更好地認(rèn)識(shí)碳氮元素生物地球化學(xué)循環(huán)、理解自然生境中甲烷循環(huán)及其對(duì)大氣溫室效應(yīng)的貢獻(xiàn)，同時(shí)也有利于探索其在廢水生物脫氮過程中應(yīng)用的可能性〔16〕。筆者主要集中介紹和總結(jié)了DAMO微生物的代謝途徑、微生物富集的影響因素，以及DAMO在廢水脫氮中的應(yīng)用前景，同時(shí)提出DAMO未來的研究方向，以期為DAMO微生物的環(huán)境功能研究及廢水脫氮處理應(yīng)用提供參考。

1 DAMO微生物的代謝途徑

目前，關(guān)于DAMO微生物代謝途徑的研究尚處于起步階段〔17〕。DAMO過程主要涉及2類微生物：DAMO古菌和DAMO細(xì)菌。DAMO古菌主要通過耦合“產(chǎn)甲烷的逆過程”（甲烷氧化）和硝酸鹽還原來代謝甲烷，DAMO細(xì)菌則通過亞硝酸鹽依賴型的“內(nèi)部好氧”途徑催化甲烷氧化〔18〕。

1.1 DAMO古菌厭氧氧化甲烷耦合硝酸鹽還原途徑

基于產(chǎn)甲烷過程所涉及的大部分酶促反應(yīng)均可逆，S.HALLAM等〔19〕提出“產(chǎn)甲烷的逆過程”模型，并發(fā)現(xiàn)厭氧噬甲烷古菌（ANME）基因組中包含了產(chǎn)甲烷途徑中除亞甲基四氫甲烷喋呤還原酶（Mer）基因（甲烷形成的關(guān)鍵基因）以外的所有功能基因。亞甲基四氫葉酸還原酶（MetF）基因與Mer結(jié)構(gòu)類似，或許可以代替其功能促進(jìn)AOM的發(fā)生〔20〕。DAMO古菌沿著甲烷產(chǎn)生的逆向過程進(jìn)行甲烷氧化，氧化過程中釋放的電子可用于硝酸鹽還原。如圖1所示〔21〕，甲烷在甲基輔酶M還原酶（Mcr）的作用下生成甲基輔酶M，再依次被甲基輔酶M轉(zhuǎn)移酶（Mtr）和MetF（類似Mer）催化形成亞甲基-四氫甲基蝶呤，然后經(jīng)過一系列的酶促反應(yīng)最終被轉(zhuǎn)化 為CO2〔21〕。其中，Mcr起活化甲烷 的 作用，Mcr及其鎳離子輔酶F430是表征“產(chǎn)甲烷的逆過程”的重要標(biāo)記物〔22〕。由于DAMO古菌僅含有硝酸鹽還原酶的編碼基因，并不含有反硝化后續(xù)步驟的相關(guān)編碼基因，因此DAMO古菌只能進(jìn)行部分反硝化，并需要DAMO細(xì)菌的協(xié)同作用，進(jìn)一步將生成的亞硝酸鹽轉(zhuǎn)化為氮?dú)狻?/p>

圖1 DAMO古菌“產(chǎn)甲烷的逆過程”耦合硝酸鹽還原途徑Fig.1 Pathway of DAMO archaea for reverse methanogenesis coupled with nitrate reduction

1.2 DAMO細(xì)菌“內(nèi)部好氧”氧化甲烷耦合亞硝酸鹽還原途徑

隨著研究的深入，K.F.ETTWIG等〔23〕發(fā)現(xiàn)，反硝化厭氧甲烷氧化過程并非完全依賴于逆向產(chǎn)甲烷途徑。他們將富集后的培養(yǎng)物（DAMO細(xì)菌80%，DAMO古菌10%）接種到新的生物反應(yīng)器中，并對(duì)其進(jìn)行溴乙烷磺酸鹽（BES）抑制實(shí)驗(yàn)。結(jié)果表明，DAMO活性并沒有受到明顯抑制。進(jìn)一步的富集實(shí)驗(yàn)中，DAMO古菌逐漸消失，而DAMO細(xì)菌活性卻沒有下降，厭氧甲烷氧化速率仍保持在一個(gè)相對(duì)穩(wěn)定的狀態(tài)。這個(gè)現(xiàn)象的發(fā)現(xiàn)證實(shí)了DAMO細(xì)菌可以獨(dú)立完成反硝化厭氧甲烷氧化過程。

K.F.ETTWIG等〔24〕在后續(xù)的DAMO細(xì)菌富集研究中發(fā)現(xiàn)，盡管體系中的氧濃度一直低于檢出限（沒有胞外氧），但宏基因組測(cè)序結(jié)果卻顯示DAMO細(xì)菌含有甲烷好氧氧化的關(guān)鍵酶——顆粒性甲烷單加氧酶（pMMO）和末端呼吸氧化酶，這意味著富集物內(nèi)部有O2生成。他們因此提出了DAMO細(xì)菌的“內(nèi)部好氧”亞硝酸鹽依賴型甲烷厭氧氧化途徑。同位素示蹤實(shí)驗(yàn)表明，甲烷氧化活性只有在亞硝酸鹽存在的情況下才能被激發(fā)〔24〕。如圖2〔18〕所示，NO2-首先被亞硝酸鹽還原酶還原為NO，然后2分子NO在一種未知的一氧化氮歧化酶作用下，被催化生成N2和O2；75%生成的O2被用于甲烷氧化，剩余25%的O2則被末端呼吸氧化酶消耗，即用于正常的呼吸作用。甲烷在多種酶的作用下被氧化為甲醛（HCHO），接著甲醛通過絲氨酸循環(huán)進(jìn)入細(xì)胞合成代謝。同時(shí)，甲醛在多種酶的作用下最終被氧化為CO2和H2O。DAMO細(xì)菌的這種“內(nèi)部好氧”甲烷厭氧氧化途徑具有非常重要的生物學(xué)意義，說明地球上存在第4種生物產(chǎn)氧途徑——繞過反硝化中間產(chǎn)物N2O直接將NO轉(zhuǎn)化為N2和O2，即NO歧化酶取代了N2O還原酶，與多種氧化酶共同催化NO產(chǎn)生O2。然而迄今為止，反硝化過程中的一氧化氮歧化酶仍然未被發(fā)現(xiàn)。

圖2 DAMO細(xì)菌“內(nèi)部好氧”的亞硝酸鹽依賴型甲烷厭氧氧化途徑Fig.2 Pathway of DAMO bacteria for intra-aerobic nitritedependent anaerobic oxidation of methane

2 DAMO微生物富集的影響因素

2.1 接種物

接種物對(duì)DAMO微生物的富集有重要影響。在DAMO微生物的首次成功富集工作中，其接種物來源于荷蘭特溫特運(yùn)河沉積物〔5〕，取樣處污泥的甲烷濃度高達(dá)0.8 mmol/L，硝酸鹽濃度為0.1 mmol/L，適宜作為DAMO反應(yīng)器的接種污泥。對(duì)照實(shí)驗(yàn)亦證明了這一點(diǎn)：反硝化速率從無(wú)甲烷時(shí)的（5.5±0.5）μmol/h（以N2計(jì)）增至加入甲烷時(shí)的（21.5±2）μmol/h。此后的研究中，DAMO微生物接種物來源包括淡水河沉積物〔13，25〕、污水處理廠混合污泥〔14，26〕、淡水湖沉積物/厭氧污泥/活性污泥混合物〔27〕等（表1）。

表1 不同DAMO富集培養(yǎng)物的比較Table 1 Comparison of different DAMO culture enrichment

Zhanfei HE等〔32〕首 次 報(bào) 道 了 以 稻 田 土 壤 作 為DAMO細(xì)菌接種物的研究，并比較了產(chǎn)甲烷污泥、稻田土壤和淡水河沉積物對(duì)DAMO細(xì)菌富集的不同影響。研究發(fā)現(xiàn)，反應(yīng)器運(yùn)行500 d后，3種富集物中DAMO細(xì)菌的數(shù)量分別是接種時(shí)的73、646、290倍，這意味著盡管3種接種物都能成功富集獲得DAMO細(xì)菌，但稻田土壤是最優(yōu)選擇。這是由于稻田土壤的厭氧土層中含有足夠多的甲烷〔33〕、豐富的菌群結(jié)構(gòu)和氮肥積累后過剩的含氮物質(zhì)，這些條件為DAMO微生物的生存提供了理想的生態(tài)位。盡管產(chǎn)甲烷污泥在厭氧消化過程中會(huì)產(chǎn)生大量甲烷，但其含有的大量有機(jī)質(zhì)使得反硝化細(xì)菌比生長(zhǎng)緩慢的DAMO細(xì)菌具有更強(qiáng)的競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)，因此富集培養(yǎng)效果弱于其他2種接種物。然而，樓菊青等〔34〕的研究表明，在相同氮源下，以淡水河沉積物和稻田土壤為混合接種物的反應(yīng)器，其富集得到的DAMO古菌數(shù)量少于淡水河沉積物、污水廠活性污泥及厭氧消化污泥混合接種的反應(yīng)器。因此，活性污泥和厭氧消化污泥或許在DAMO古菌富集時(shí)具有一定的優(yōu)勢(shì)。

目前，關(guān)于不同接種物對(duì)DAMO微生物富集影響機(jī)制的研究較為空缺。不同的接種物意味著不同原位環(huán)境下的理化性質(zhì)和菌群結(jié)構(gòu)有所不同。毫無(wú)疑問，當(dāng)原始接種物中DAMO微生物的相對(duì)豐度越高，DAMO反應(yīng)器啟動(dòng)速率將越快，功能微生物的富集數(shù)量也會(huì)越多。因此，整合分析DAMO接種物來源的特性，并探索適宜DAMO微生物生存的接種源的相關(guān)規(guī)律，將有助于加快DAMO微生物的富集和應(yīng)用。

2.2 溫度

溫度是調(diào)控生物生長(zhǎng)和繁殖的關(guān)鍵環(huán)境因子。實(shí)驗(yàn)室首次獲得DAMO菌群時(shí)的富集溫度為25℃〔5〕，K.F.ETTWIG等〔23，25〕將此溫度下間歇培養(yǎng)的富集物轉(zhuǎn)移到30℃下進(jìn)行連續(xù)培養(yǎng)后，DAMO古菌在富集物中逐漸消失，只剩下DAMO細(xì)菌。然而，溫度并不是其中唯一被改變的條件，培養(yǎng)方式和培養(yǎng)基等條件也發(fā)生了變化。此后，DAMO細(xì)菌的富集溫度主要被控制在35℃〔15，28-29〕和30℃〔13，23〕（表1）。Zhanfei HE等研究了不同溫度（15～45℃）對(duì)DAMO細(xì) 菌 的 影 響〔35〕，發(fā) 現(xiàn)DAMO細(xì) 菌 的 活 性 在35℃下最高，表明DAMO細(xì)菌是嗜溫性細(xì)菌。

在環(huán)境溫度下富集DAMO微生物可為其在廢水處理中的應(yīng)用提供參考和依據(jù)，因此不少研究者評(píng)估了環(huán)境溫度下DAMO微生物的富集過程〔12-13，31-32〕。Tao LIU等〔31〕研究了低溫對(duì)膜生物膜反應(yīng)器（MBfR）中DAMO微生物脫氮性能的影響，發(fā)現(xiàn)當(dāng)溫度從25℃降至10℃后，DAMO細(xì)菌和DAMO古菌的相對(duì)豐度依然保持穩(wěn)定（DAMO細(xì)菌：7.9%～10.6%，DAMO古菌：4.5%～7.3%）。低溫時(shí)，細(xì)胞裂解導(dǎo)致碳源增加，有利于DAMO微生物活性和脫氮效率的提高。同時(shí)，MBfR作為一種膜曝氣與生物膜相結(jié)合的水處理技術(shù)，其纖維膜表面極易形成生物膜，為DAMO微生物的生長(zhǎng)創(chuàng)造了相對(duì)穩(wěn)定的環(huán)境。此類研究表明，即使在低溫下，DAMO微生物仍然可以維持較穩(wěn)定的活性，在廢水處理中具有廣闊的應(yīng)用前景。

DAMO微生物的共富集研究目前較為缺乏。Shihu HU等〔27〕研 究了 不 同 溫 度（22、35、45℃）對(duì)DAMO微生物的影響。其中，45℃反應(yīng)器沒有反硝化活性，高溫導(dǎo)致了DAMO微生物的細(xì)胞組分失活〔35-36〕；22℃富集培養(yǎng)物中只含有DAMO細(xì)菌；35℃富集培養(yǎng)物中則同時(shí)檢測(cè)到DAMO古菌和DAMO細(xì)菌。因此可以認(rèn)為，溫度較低時(shí)，DAMO細(xì)菌處于優(yōu)勢(shì)，而DAMO古菌則更趨向于在較高溫度下生存，對(duì)低溫較為敏感〔37〕。但這與Tao LIU等〔31〕的研究結(jié)果相矛盾，這可能是因?yàn)镾hihu HU等富集的DAMO古菌主要處于懸浮生長(zhǎng)狀態(tài)，低溫下與DAMO細(xì)菌競(jìng)爭(zhēng)時(shí)無(wú)法形成生物聚集體，從而不利于其生長(zhǎng)。

總體而言，DAMO細(xì)菌和DAMO古菌都屬于嗜溫性微生物，但在低溫下也可以維持穩(wěn)定的活性，因此在工程應(yīng)用方面具有一定的潛力。目前關(guān)于環(huán)境溫度對(duì)DAMO微生物的影響機(jī)制仍然有待進(jìn)一步深入探究。

2.3 甲烷傳質(zhì)/分壓

甲烷不僅是DAMO反應(yīng)的電子供體，也是DAMO微生物的唯一碳源〔38〕。因此，甲烷是控制DAMO反應(yīng)速率的重要變量。單獨(dú)富集DAMO細(xì)菌時(shí)，甲 烷 分 壓 可 以 低 至10～24 kPa〔32〕；而 共 富 集DAMO細(xì)菌和DAMO古菌時(shí)，甲烷分壓一般在100～300 kPa〔30〕（表1），甲烷分壓過低可能會(huì)導(dǎo)致DAMO古菌在與DAMO細(xì)菌的競(jìng)爭(zhēng)中失去優(yōu)勢(shì)。

甲烷傳質(zhì)阻力對(duì)DAMO細(xì)菌的影響最先受到研究者們的關(guān)注。何嶄飛等〔39〕通過建立甲烷的三相傳質(zhì)模型研究了甲烷傳質(zhì)阻力對(duì)亞硝酸鹽型DAMO反應(yīng)的影響，并根據(jù)模型推導(dǎo)得出DAMO比活性與甲烷傳質(zhì)阻力成反比，降低甲烷傳質(zhì)阻力可以顯著提高DAMO比活性。在DAMO反應(yīng)中，甲烷須經(jīng)氣-液-菌三相傳質(zhì)后才能在微生物細(xì)胞內(nèi)發(fā)生反應(yīng)，三相中氣膜的傳質(zhì)阻力可以忽略，細(xì)胞膜的傳質(zhì)阻力約為常數(shù)，而甲烷不易溶于水的特點(diǎn)使得液膜成為主要的傳質(zhì)阻力。液膜中甲烷的傳質(zhì)與反應(yīng)器的攪拌速率有關(guān)，攪拌速率越大，液相傳質(zhì)阻力越小；但超過一定范圍后，增加攪拌速率將不再提高DAMO比活性〔39〕。

隨后，研究者們探究了甲烷分壓對(duì)DAMO細(xì)菌和DAMO古菌活性的影響。Chen CAI等〔40-42〕捕捉了甲烷分壓調(diào)整后DAMO微生物活性的變化過程。在24.3～122.6 kPa范圍內(nèi)，隨著甲烷分壓的增加，DAMO古菌的硝酸鹽還原速率和DAMO細(xì)菌的亞硝酸鹽還原速率分別增加了58%和303%，說明甲烷分壓是其活性增加的驅(qū)動(dòng)因素；而當(dāng)甲烷分壓超過122.6 kPa后，甲烷不再是DAMO微生物活性的限制因素。同時(shí)，由于甲烷分壓與甲烷溶解度呈線性關(guān)系且甲烷溶解度與溫度呈線性關(guān)系，溫度和甲烷溶解度同樣會(huì)影響DAMO過程〔43〕。此外，通過添加表面活性劑和第二液相等方法也可以提高甲烷的液相溶解度系數(shù)〔39〕。

綜上，通過一些方法可以在一定范圍內(nèi)提高DAMO微生物的甲烷利用效率。然而，甲烷分壓對(duì)DAMO細(xì)菌和DAMO古菌之間相互競(jìng)爭(zhēng)關(guān)系的影響還未得到深入研究。

2.4 反應(yīng)器構(gòu)型

反應(yīng)器構(gòu)型對(duì)氣液傳質(zhì)速率和傳質(zhì)方式、微生物聚集物的顆粒大小和形態(tài)有著顯著影響。序批式反應(yīng)器（SBR）、序半連續(xù)式反應(yīng)器（SFBR）和連續(xù)攪拌罐反應(yīng)器（CSTR）適合培養(yǎng)生長(zhǎng)緩慢的微生物，是使用最早且最多的富集DAMO微生物的反應(yīng)器〔44〕。然而，SFBR在富集DAMO微生物時(shí)容易出現(xiàn)亞硝酸鹽積累〔15〕，CSTR可以很好地控制底物（亞硝酸鹽）負(fù)荷，但微生物截留效率和氣相傳質(zhì)效率均較低。

隨后，Ying SHI等〔45〕嘗試使用中空纖維膜生物反應(yīng)器（HfMBR）實(shí)現(xiàn)DAMO微生物和Anammox細(xì)菌的共富集，其反硝化速率最高為190 mg/（L·d）（以N計(jì)），遠(yuǎn)高于已報(bào)道的其他DAMO的反硝化速率。在HfMBR中，微生物附著在纖維表面形成生物膜，甲烷通過中空纖維膜直接轉(zhuǎn)移至DAMO微生物，傳質(zhì)過程縮短，提高了DAMO反應(yīng)中的甲烷利用率〔46〕。

然而，HfMBR也有缺點(diǎn)，如較長(zhǎng)的啟動(dòng)時(shí)間〔47〕、高比表面積膜（可達(dá)2 222 m2/m3〔45〕）帶來的高成本、富集物轉(zhuǎn)培后脫氮性能迅速下降〔46〕等。因此，Wenbo NIE等〔28〕開發(fā) 了 一種 基 于MBR改 良 的 新 型反應(yīng)器——膜曝氣膜生物反應(yīng)器（MAMBR），該反應(yīng)器采用膜曝氣技術(shù)，不僅有透氣性隔水致密膜進(jìn)行高效甲烷輸送，同時(shí)有超濾膜保持生物量濃度。MAMBR首次實(shí)現(xiàn)了7個(gè)月快速富集獲得高濃度DAMO菌群，其中DAMO古菌的相對(duì)豐度高達(dá)40.87%。而且，MAMBR的比表面積（20 m2/m3）僅為HfMBR的0.9%～4.1%，富集物接種方便，是目前應(yīng)用比較理想的反應(yīng)器。

隨著科研工作者的不斷研究和創(chuàng)新，各種反應(yīng)器構(gòu)型也在不斷被優(yōu)化，微生物燃料電池（MFC）與各類型反應(yīng)器的耦合或許也是快速富集DAMO微生物、實(shí)現(xiàn)高效脫氮的一個(gè)新方向〔48〕。

3 DAMO微生物的潛在應(yīng)用

傳統(tǒng)的生物脫氮技術(shù)主要通過硝化/反硝化過程去除廢水中的氮化合物。然而，反硝化過程會(huì)產(chǎn)生溫室氣體N2O，同時(shí)反硝化菌需要利用有機(jī)碳源作為電子供體。當(dāng)廢水中碳源有機(jī)物含量不足時(shí)就需要額外添加碳源（醇類、有機(jī)酸類），水處理成本增加，殘余碳源還存在二次污染的風(fēng)險(xiǎn)。而廢水經(jīng)過厭氧處理后，出水中的溶解性甲烷可達(dá)到系統(tǒng)中甲烷總產(chǎn)生量的40%及以上〔49〕，同時(shí)污泥消化過程也會(huì)產(chǎn)生甲烷，二者均可作為DAMO反硝化的電子供體。因此，DAMO過程相較傳統(tǒng)脫氮過程可以節(jié)約大量能源和成本，并可解決碳源短缺和溫室氣體排放的問題，具有一定的應(yīng)用前景。

DAMO過程可與SHARON工藝聯(lián)用來處理C/N較低的廢水。SHARON工藝由于需要馴化氨氧化菌將氨氮硝化控制在亞硝酸鹽階段，對(duì)環(huán)境條件的要求比較嚴(yán)格。而聯(lián)合工藝可放寬pH、溫度等條件范圍，即使硝化過程出現(xiàn)硝酸鹽，DAMO古菌也可將其轉(zhuǎn)化為亞硝酸鹽，而后再被DAMO細(xì)菌進(jìn)一步轉(zhuǎn)化為N2。通常情況下，短程硝化反硝化由于難以維持穩(wěn)定的亞硝酸鹽狀態(tài)，成功實(shí)例并不多，而DAMO-SHARON聯(lián)合工藝則具有明顯的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)。

此外，DAMO過程與Anammox聯(lián)用也具有較好的應(yīng)用前景。Anammox是區(qū)別于傳統(tǒng)反硝化的另一種脫氮途徑，其是在缺氧條件下，以氨為電子供體、亞硝酸鹽為電子受體，生成N2和少量硝酸鹽的過程。Anammox作為一種節(jié)能高效的廢水處理方式，已被廣泛研究并工程化應(yīng)用〔50〕。Anammox菌對(duì)pH、溶解氧、溫度等環(huán)境因子的要求幾乎與DAMO微生物一致，因此很多研究者采集的環(huán)境樣品中同時(shí)含有Anammox和DAMO微生物，將二者進(jìn)行共富集后可同時(shí)去除CH4、NO2-、NO3-和NH4+。進(jìn)水中的NH4+和部分NO2-被Anammox菌轉(zhuǎn)化為N2和少量NO3-；生成的NO3-和進(jìn)水中的NO3-被DAMO古菌轉(zhuǎn)化為NO2-，進(jìn)而被DAMO細(xì)菌最終轉(zhuǎn)化為N2。這種組合的脫氮方式具有低碳節(jié)能的優(yōu)勢(shì)且具有可行性，相比單一的Anammox工藝更加靈活，對(duì)進(jìn)水氮負(fù)荷波動(dòng)的耐受性更強(qiáng)，可去除過量的銨鹽、硝酸鹽和亞硝酸鹽。另外，Zhaowei DING等〔29〕的研究發(fā)現(xiàn)，Anammox菌不僅可與DAMO微生物共存，甚至可以提高DAMO古菌的活性，這是由于Anammox菌與DAMO細(xì)菌同時(shí)消耗NO2-，使NO2-濃度維持在較低水平，有利于DAMO古菌更快地催化NO3-還 原。Baoli ZHU等〔50〕在2011年首次實(shí)現(xiàn)了DAMO與Anammox微生物的共富集，此后陸續(xù)有研究者成功富集并獲得混合菌群。但即使接種物是富集菌群，反應(yīng)器的啟動(dòng)時(shí)間也幾乎都在半年以上，脫氮效率也低于傳統(tǒng)脫氮工藝，因此需要提高功能菌群的富集速度和脫氮效率以促進(jìn)聯(lián)合工藝投入實(shí)際工程應(yīng)用。

4 未來研究方向

4.1 DAMO古菌對(duì)碳氮循環(huán)的貢獻(xiàn)

研究者們針對(duì)DAMO細(xì)菌在自然環(huán)境中的貢獻(xiàn)及其在反應(yīng)器中的過程機(jī)理開展了廣泛研究，然而針對(duì)DAMO古菌的研究則較為匱乏。實(shí)際上，由于DAMO細(xì)菌僅能以NO2-為電子受體催化甲烷氧化，而自然環(huán)境中的氮污染物則更多以NO3-的形式存在。因此，DAMO古菌對(duì)系統(tǒng)內(nèi)甲烷消耗和氮去除的貢獻(xiàn)也相當(dāng)重要。目前，研究者們僅在安徽稻田、巢湖、長(zhǎng)江口等地開展過DAMO古菌的環(huán)境調(diào)研工作，并未獲得系統(tǒng)的DAMO古菌環(huán)境分布信息，且未評(píng)估過硝酸鹽型DAMO過程對(duì)環(huán)境中碳氮循環(huán)的貢獻(xiàn)。因此，需要對(duì)DAMO古菌開展更多的研究工作，并計(jì)算硝酸鹽型DAMO反應(yīng)中的氮?dú)猱a(chǎn)生通量和甲烷氧化量，從而科學(xué)地評(píng)價(jià)其環(huán)境功能意義。

4.2 模型研究

數(shù)學(xué)模型早已被廣泛應(yīng)用于模擬和預(yù)測(cè)廢水處理過程中的各項(xiàng)指標(biāo)，但較少有研究者致力于構(gòu)建DAMO過程的數(shù)學(xué)模型。建模需要有充分的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，才能準(zhǔn)確描述反應(yīng)器中各物種之間的化學(xué)計(jì)量關(guān)系和動(dòng)力學(xué)參數(shù)。DAMO模型可由多個(gè)方程描述，如用Michaelis-Menten方程描述酶促反應(yīng)動(dòng)力學(xué)，用Monod方程描述甲烷濃度與反硝化速率之間的 關(guān)系。Xueming CHEN等〔51〕利 用AQUASIM軟 件構(gòu)建了生物膜多基質(zhì)模型以預(yù)測(cè)反應(yīng)器中的甲烷氧化量和氮轉(zhuǎn)化量，H.S.LEE等〔52〕則建模探討了反硝化動(dòng)力學(xué)參數(shù)對(duì)DAMO反應(yīng)的影響。然而，目前的DAMO模型都是基于膜生物膜反應(yīng)器（MBfR）開發(fā)的，未來研究者們可根據(jù)采用的反應(yīng)器類型構(gòu)建新的適用模型，并據(jù)此優(yōu)化反應(yīng)器構(gòu)型和反應(yīng)條件。

5 結(jié)語(yǔ)

DAMO微生物近年來被證實(shí)存在于各種自然環(huán)境中，其富集過程、催化功能和影響因素是目前的研究熱點(diǎn)。但關(guān)于影響因素的研究大多較為局限，且很少對(duì)機(jī)理進(jìn)行深入探討。值得注意的是，探索不同影響因子下DAMO微生物的響應(yīng)機(jī)制能夠?yàn)槠涓咝Ц患峁┯辛σ罁?jù)。同時(shí)，DAMO微生物作為自然環(huán)境中甲烷和氮素的有效轉(zhuǎn)化系統(tǒng)，其對(duì)全球甲烷轉(zhuǎn)化的貢獻(xiàn)量至今尚未被系統(tǒng)準(zhǔn)確評(píng)估?？傊?，目前此領(lǐng)域仍存在較多未知問題，亟待更多元、更深入的探索研究。