任南琪院士团队CREST--厌氧铁氨氧化(Feammox)：一种新型微生物氮循环途径及其潜在应用

导读

 

哈尔滨工业大学任南琪院士团队在Critical Reviews in Environmental Science and Technology（CREST，《环境科技评论》）期刊发表题为“厌氧铁氨氧化（Feammox）：一种新型微生物氮循环途径及其潜在应用（Fe(III)-mediated anaerobic ammonium oxidation: A novel microbial nitrogen cycle pathway and potential applications）”的重磅综述。

氨氧化对于脱氮至关重要，其有助于区域和全球氮循环，但目前仅发现为数不多的生物氨氧化途径。厌氧铁氨氧化（Feammox）是近些年来发现的以三价铁作为电子受体氧化氨氮的微生物过程，其已经被证实广泛地存在于各种陆生和水生生态系统，并且贡献了非常显著的环境氮转化。Feammox过程氨氧化产物主要是亚硝酸盐和氮气，这为污水处理工艺提供了潜在的替代方案。本研究总结梳理和分析讨论了Feammox的功能微生物、潜在机理、影响因素、环境意义等现有知识，并展望了Feammox的未来潜在应用，以期为该过程的未来研究和应用提供有价值的见解。

图1 图文摘要

主要内容

Feammox是一种新近发现的微生物氨氧化过程，打破了长期以来局限于硝化和厌氧氨氧化（anammox）的氨氧化途径认识。目前，除了已被证实的Acidimicrobiaceae sp. A6，被报道的Feammox潜在功能微生物还有Exiguobacterium spp.和部分铁还原细菌（例如Geobacteraceae spp.，Shewanella spp.和Pseudomonas）。研究表明Feammox微生物在胞内氧化氨氮并通过直接接触或电子穿梭体传递电子于胞外还原三价铁矿物，其氨氧化产物主要是氮气和亚硝酸盐。在自然环境中，Feammox已经被证明对全球氮循环过程有非常重要的贡献，尤其在水稻田和湿地等富含铁的环境。此外，Feammox相比硝化反硝化过程很可能减少甚至避免温室气体N2O的排放，可有效地降低全球气候的增暖效应。

图2 Feammox与其它N转化途径涉及的微生物相互作用示意图

Feammox与多种微生物协作进一步促进氮循环。目前Feammox过程已被证实存在于多种环境，甚至是污水处理系统，并且与多种共存微生物有着紧密的相互作用。如图2所示，Feammox的产物可作为anammox、反硝化（denitrification）和硝酸盐依赖型铁氧化（NDFO）等氮转化微生物的底物，这些微生物的相互协作最终有效地将水生和陆生环境中的氮转化为氮气释放到大气中。此外，除了NDFO微生物，Feammox存在的环境也发现了许多的铁氧化微生物。这些微生物可以将Feammox的铁还原产物二价铁重新氧化为三价铁，从而与Feammox共同组成铁的氧化还原循环，为Feammox不断地提供三价铁底物以氧化环境中的氨氮。这些微生物的相互作用不仅可以有效地修复环境氮污染，而且为污水处理提供了潜在可替代的选择方案。

图3 基于Feammox过程脱氮的概念污水处理工艺

Feammox独特的氨氧化途径具有应用于污水处理脱氮的潜力。城市供水系统中用于提高水质的铁基混凝剂和排水管网及污水处理用于控制硫化物积累的铁盐等铁源可作为Feammox氧化污水中氨氮的电子受体。如图3（A）所示，Feammox过程将氨氮转化为氮气或者亚硝酸盐，不仅为anammox过程提供了亚硝酸盐，避免了短程硝化，还降低了anammox过程的氮负荷。考虑到上述铁源可能难以满足持续且大量的Feammox氨氧化需求，可进一步耦合NDFO过程。一方面NDFO过程可以氧化二价铁，为Feammox不断提供底物三价铁；另一方面NDFO过程还可以将anammox产生的硝酸盐还原为氮气，达到更高效的氮去除效率。目前，基于Feammox过程的污水脱氮已经成为Feammox的最新研究热点。

总结与展望

这是自Feammox发现以来第一篇系统性的综述。对现有知识的梳理、对比、总结使我们能更好地认识Feammox过程及其环境意义。然而在该领域的研究还远远不够，我们对将来的研究提供了一些建议，包括从种群层面和基因层面更深入地研究Feammox微生物，探究导致Feammox不同氨氧化产物的诱因，进一步揭示Feammox与其他微生物的相互作用，评估Feammox的全球氮循环贡献，建立并优化基于Feammox过程的生物污水脱氮工艺。

作者简介

谢国俊，哈尔滨工业大学环境学院教授、博士生导师。主要从事污水处理与资源化、厌氧甲烷氧化与利用、微生物驱动碳氮硫循环等方面的研究，主持国家自然基金面上项目、国家自然基金青年项目、国家重点研发计划子课题、昆士兰大学博士后基金等多项课题，获得霍英东教育基金会高等院校青年教师基金、微生物生态青年科技创新奖（优秀奖）等。目前共发表SCI收录论文57篇，H因子25；其中第一或通信作者论文31篇，包括Environmental Science & Technology 4篇、Water Research 3篇；入选国际水协中国青年委员会（IWA-YWP）委员，担任期刊BioMed Research International、Water Science and Technology特约编辑。

谭馨，哈尔滨工业大学环境学院在读博士生，2018年于湖南大学获得工学学士学位，之后在哈尔滨工业大学谢国俊教授课题组直接攻读博士学位。目前的研究兴趣集中在新近发现的氮转化微生物在污水处理中的应用及温室气体释放潜力研究。

原文传递：

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|供稿：任南琪院士团队

|编排：代子雯（CREST期刊推广员）

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