2020年陰離子聚丙烯酰胺廠家厭氧氨氧化菌在于污水的處理實際應(yīng)用

　　2020年陰離子聚丙烯酰胺生產(chǎn)廠家厭氧氨氧化菌在于污水的處理實際應(yīng)用。Gist-Brocades酵母廠位于荷蘭鹿特丹市市中心，由于工廠產(chǎn)生大量臭雞蛋味的氣體和含硫廢物，因此該廠并不受當(dāng)?shù)厝藲g迎。為了討好廠區(qū)附近的鄰居，該公司設(shè)計了一道除味的工藝，就是用厭氧池來取代密閉出水。因此該廠將80年代中期建的一所中試改成厭氧池，使得硫化物濃度有所下降。但是，當(dāng)居民在呼吸上松了一口氣后，廠里的工人們卻注意到了一個奇怪的現(xiàn)象。道理上，氨需要氧進行降解，所以工程師認(rèn)為厭氧池中的氨氮濃度應(yīng)該保持不變。但是幾個月后，氨濃度仍繼續(xù)降低，并且開始產(chǎn)生氮氣。

　　出于好奇，該工廠聯(lián)系了戴爾福特工業(yè)大學(xué)的生物學(xué)家Gijs Kuenen。Kuenen猜測可能是厭氧菌的作用，厭氧菌可能會利用氨和亞硝生成氮氣和水。細(xì)菌能夠進行厭氧氨氧化或厭氧氨氧化反應(yīng)的觀點大約在10年前就已經(jīng)被提出，但大部分微生物學(xué)家都持懷疑態(tài)度，因為之前從來沒有發(fā)現(xiàn)過這種菌，并且也從沒見自然發(fā)生過。

　　Kuenen意識到神奇的厭氧氨氧化菌可能會提供一個新的污水處理方法，如果在其他地方也有所發(fā)現(xiàn)，那么該菌在自然界中將會非常重要。所以Kuenen決定要研究一下。他的前博士生Marc Strous說“這是一個勇敢的舉動，”Marc Strous目前在荷蘭的內(nèi)梅亨大學(xué)，“Kuenen開始研究一些他所有同事都認(rèn)為不存在的東西。”

　　在氮循環(huán)中的作用

　　電子顯微鏡有助于揭開未知世界。一次近距離的觀察發(fā)現(xiàn)，這些微生物體都居住在一個陌生的、內(nèi)部的、膜結(jié)合的隔室內(nèi)。這是個很大的驚喜，因為就好像跟人類本身細(xì)胞一樣，只有更加復(fù)雜(或真核)的細(xì)胞才有這種隔室，我們稱為細(xì)胞器。簡單的“原核”細(xì)胞和細(xì)菌都沒有細(xì)胞器。目前我們只知道一種菌，浮霉菌，具有這種結(jié)構(gòu)，因此證明這種微生物屬于該門。

　　浮霉菌非常奇特，因為它同時含有生活中細(xì)菌、真菌和古菌三大菌屬的功能，因此有些人認(rèn)為該菌在早期可能跟三大菌屬是同一個祖先。DNA的研究將它們明確歸類為細(xì)菌屬。但是他們的內(nèi)部細(xì)胞器使它們更像真菌。同時，該微生物細(xì)胞壁中缺少剛性聚合肽聚糖，這使得它們又類似于單細(xì)胞膜的古菌。Strous說“它們的出現(xiàn)模糊了細(xì)菌的定義”。;

　　我們并不知道浮霉菌能否進行厭氧氨氧化反應(yīng)，但Kuenen的團隊用氨和亞硝培養(yǎng)出了厭氧氨氧化菌，并觀察到培養(yǎng)底物的消失。基因分析證實了該微生物，它們臨時命名為Brocadiaanammoxidans;anammoxidans是它們獨特的生物化學(xué)特性，Brocadia是它們被發(fā)現(xiàn)的地方，由于該菌鮮紅的顏色從而留給研究者們美好而深刻的印象。

　　本文發(fā)表以后，所有同事的觀點一夜之間全部都改變。MikeJetten也是內(nèi)梅亨大學(xué)微生物學(xué)家，并且繼續(xù)從事該項工作，他說“這是一個真正的轉(zhuǎn)折點”。在文章發(fā)表前，多數(shù)微生物學(xué)家不相信會發(fā)生厭氧氨氧化。但這之后，該理論得到了廣泛的認(rèn)同，并且厭氧氨氧化菌在地球氮循環(huán)中也有了它們應(yīng)有的位置。

　　氮循環(huán)可以將穩(wěn)定的氮氣轉(zhuǎn)換成更加有用的形式，例如氨和硝酸鹽離子，然后再返回成氮氣，從而維持全球氮平衡(見背面圖)。氮氣通過固氮微生物直接轉(zhuǎn)換成氨，例如土壤中與之相關(guān)的植物根系。植物和動物消耗氨，而當(dāng)他們死亡并分解后又將其釋放出來。下一步是硝化菌和古菌將氨轉(zhuǎn)換成亞硝酸鹽和硝酸鹽，然后反硝化微生物再將硝酸鹽轉(zhuǎn)換成氮氣補給到大氣中，該循環(huán)結(jié)束。而厭氧氨氧化在整個循環(huán)過程中走了個捷徑，創(chuàng)造了一個由氨和亞硝直接轉(zhuǎn)換成氮氣的途徑。

　　實際上，這些細(xì)菌能擁有這么一種絕技已經(jīng)是足夠卓越了。但是當(dāng)研究者研究它們是怎么做到時，又出現(xiàn)了更多的驚喜。研究結(jié)果顯示，厭氧氨氧化反應(yīng)發(fā)生在胞內(nèi)膜或厭氧氨氧化體中，且產(chǎn)生聯(lián)氨作為中間產(chǎn)物。為什么該菌會產(chǎn)生聯(lián)氨(一種強效的火箭燃料)?并且這種爆炸分子在自然的任何地方都找不到。Jetten說“我們?nèi)匀焕Щ蟮氖前l(fā)生了什么”。

　　價值

　　或許該過程需要高能聯(lián)氨來驅(qū)動厭氧氨氧化反應(yīng)。但是并不知道這些細(xì)菌是怎樣管理它們產(chǎn)生的有毒的聯(lián)氨并且不殺死細(xì)菌本身。由于聯(lián)氨能夠在細(xì)胞膜間輕松的擴散，所以Jetten懷疑厭氧氨氧化體的生物膜絕對是不同尋常的，該生物膜能防止肼擴散，甚至有些情況下可以包含危險載體。

　　他聯(lián)系了來自NetherlandsInstitute從事海洋研究的脂質(zhì)專家Jaap Sinninghe Damsté，并一起分析了細(xì)胞器膜。其結(jié)果又是一項非凡的發(fā)現(xiàn)。“我們將結(jié)果其展示給阿姆斯特丹大學(xué)的有機化學(xué)家們，而他們說這些都是不可能的” Damsté說。

　　這些生物膜的脂質(zhì)由五個碳環(huán)融合在一起形成一個密集的階梯。這種“梯形烷”脂質(zhì)是獨特的，因為它需要大的能量建成，并且很不穩(wěn)定。可以認(rèn)為，這種結(jié)構(gòu)使得該膜非常致密，所以能夠阻止聯(lián)氨泄漏到細(xì)胞其余地方。“這完全是一個謎，大自然怎會創(chuàng)造出這種脂質(zhì)”來自哈佛大學(xué)的有機化學(xué)家兼諾貝爾獎獲得者Elias Corey說道，目前Elias Corey已經(jīng)在實驗室構(gòu)造出該脂質(zhì)的結(jié)構(gòu)。科學(xué)家們目前正在解析該菌的基因組，目的是想解釋這種生物膜是怎么形成的。荷蘭團隊已經(jīng)對生產(chǎn)這種脂質(zhì)的工藝申請專利，希望微電子產(chǎn)業(yè)能夠為這種堅不可摧的膜提供一個用武之地。

　　厭氧氨氧化菌最實際的應(yīng)用在于污水的處理。污水廠和一些制造化肥或精煉石油的工廠會產(chǎn)生數(shù)百萬升富含氨的廢水，所有的這些含氮廢水都需要降解掉。傳統(tǒng)方法是使用硝化菌將氨轉(zhuǎn)換成亞硝酸鹽或硝酸鹽，然后反硝化菌再將其還原成氮氣。硝化過程的微生物需要氧氣，并且需要巨量的氧氣，因此一些機器就要耗費大量的電來為這些污泥進行曝氣。不但如此，反硝化過程還需要外碳源，例如甲醇，甲醇燃燒又會產(chǎn)生二氧化碳。所以，這種工藝是代價高昂的，不僅占用大量空間還對環(huán)境不好。

　　而厭氧氨氧化污水處理工藝的形成，提供了重要的優(yōu)勢。厭氧氨氧化菌能夠利用氨作為他們的能源，這就不需要再用昂貴的甲醇。并且該反應(yīng)不需要氧氣，所以厭氧氨氧化工藝會消耗更少的電量。該工藝不僅不產(chǎn)生二氧化碳，反而還會消耗它，所以該工藝是非常環(huán)保的。總之，與傳統(tǒng)的工藝相比，厭氧氨氧化工藝會減少90%的運行費并節(jié)省50%的空間面積。

　　荷蘭Paques公司，總部位于Balk，該公司已經(jīng)開發(fā)出第一個厭氧氨氧化反應(yīng)器。原型已經(jīng)建成，并且作為鹿特丹城市污水處理廠的一部分，現(xiàn)在運行良好。

　　雖然厭氧氨氧化很可能成為污水處理中重要的一部分，但是它在廣闊的世界里中作的用可能是更深遠(yuǎn)的。海洋學(xué)家對厭氧氨氧化的研究推斷，如果該反應(yīng)能夠在缺氧池中進行，那么也可能在海洋中的部分貧氧區(qū)發(fā)生，有助于海洋中氮循環(huán)。如果是這樣的話，這將會解決一個40年之久的海洋之謎。

　　在60年代中期，來自西雅圖華盛頓大學(xué)的Francis Richards注意到，在缺氧的海灣，氨總是莫名其妙的減少。他推測這些氨一定是在厭氧條件下被氧化成氮氣，要么是無機的，要么是通過一些未知的微生物。當(dāng)時，海洋學(xué)家覺得這個想法很荒謬。

　　但是到了2001年12月，來自德國不萊梅馬克斯普朗克研究所的Marcel Kuypers(從事海洋微生物研究)和它的同事決定去黑海對厭氧氨氧化菌進行調(diào)查，而黑海則是全球最大的缺氧流域。

　　這個團隊從水下85到100米深的地方取水樣，因為在該深水層氧氣是不存在，并且發(fā)現(xiàn)該水層中只含有微量的氨。正如推測的那樣，海洋中也發(fā)現(xiàn)了厭氧氨氧化菌，這也是他們首次在海洋中發(fā)現(xiàn)該菌。厭氧氨氧化菌是異常高效的，并且認(rèn)為海洋中氮氣的產(chǎn)生，一半是來自厭氧氨氧化菌。該現(xiàn)象迫我們使對全球氮循環(huán)進行一次重大的反思，并且慢慢說服海洋學(xué)家反硝化菌并不是唯一產(chǎn)生氮氣的群體。

　　在確定了厭氧氨氧化菌的存在后，我們也同樣對它們在這個星球上的能力進行了驗證。發(fā)現(xiàn)，厭氧氨氧化菌無處不在的，在淡水中、咸水中、公海、海洋沉積物以及污水處理廠都有發(fā)現(xiàn)。“有一天你發(fā)現(xiàn)了一個被認(rèn)為是不可能的現(xiàn)象，”Kuenen說，“然后10年后這種現(xiàn)象被證實是無處不在的，并且在全球范圍都是很重要的。它們甚至可能躲在你的廚房水槽的排水系統(tǒng)中。”

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