CREST | 北京师范大学郑少奎团队：废水生物脱氮系统中的异养硝化菌

导 读

北京师范大学郑少奎团队在Critical Reviews in Environmental Science and Technology（CREST，《环境科技评论》）期刊发表题为“废水生物脱氮系统中的异养硝化菌（Heterotrophic nitrifying bacteria in wastewater biological nitrogen removal systems: A review; DOI: 10.1080/10643389.2021.1877976; Published online: 02 Feb 2021）”的综述。

作为一种天然水体富营养化控制手段，生物脱氮（BNR）工艺被广泛应用于全球污水处理厂。传统生物脱氮包括两个过程，即由好氧化能自养硝化微生物主导的、在有氧条件下氧化氨氮为亚硝酸盐（亚硝化作用）和硝酸盐（硝化作用）的氨氧化过程，和由种类丰富的异养反硝化微生物主导的、在缺氧条件下还原硝化产物为氮气的反硝化过程。近二十年来，研究者们在BNR工艺中频繁发现了新的微生物N 转化途径，整体情况如图1所示，从中可以发现氨氧化和产氮气是废水生物脱氮的两个关键节点。其中，氨氧化过程通常被认为是整个BNR过程的限速步骤，涉及三种氨氧化途径、五大类氨氧化微生物，包括由氨氧化细菌（AOB）、氨氧化古菌（AOA）和完全氨氧化细菌（一些Nitrospira属的菌株）主导的自养好氧氨氧化途径，由异养硝化细菌（HNB）主导的异养好氧氨氧化（异养硝化）途径，和由厌氧氨氧化细菌主导的自养厌氧氨氧化（Anammox）途径。

图1 图文摘要（Graphic abstract）

主要内容

异养硝化细菌（HNB）是唯一一类通过氧化有机物获得能量、完成氨氮氧化反应的氨氧化微生物，许多HNB还能够完成好氧反硝化反应，因此它们能够直接将氨氮转化为氮气，导致溶液中亚硝氮或硝氮积累量非常低（有时甚至低于检测限）。与各种自养氨氧化工艺相比，以HNB为主导的BNR废水处理工艺具有突出的优势，如同时去除有机物、快速增殖、同步硝化反硝化等，部分HNB耐受高盐、低温、高氨等极端环境，等等。早在1886年就有研究者发现，某些分离菌株能够在有机碳源溶液中将氨氮氧化为亚硝氮或硝氮，但却不能像AOB一样在无机培养基中生长。然而，由于传统硝化活性测试以测定硝化产物（亚硝氮、硝氮）积累量来判断硝化作用强弱，导致长期以来HNB的氨氧化活性和对氨氧化的贡献被严重低估，随后半个世纪中被观察到的HNB生长现象被错误地归因于AOB和普通异养菌之间的共生作用。直到1951年，专业术语“Heterotrophic nitrification（异养硝化）”首次被用于解释“并非全部通过自养生物完成的硝化”现象。1959年，专业术语“Heterotrophic nitrifier（异养硝化菌）”首次被用于定义“完成土壤硝化反应的异养微生物。1983年，Robertson等从脱硫、反硝化废水处理厂成功分离、鉴定和表征了第一株HNB (Thiosphaera pantotropha），为“HNB同时具有异养硝化和好氧反硝化特性”观点提供了有力的证据。从实际应用角度来看，全面了解废水BNR系统中HNB的信息，包括其群落结构、丰度、代谢活性和关键种等，将有助于控制、改进和优化废水BNR系统，以便在未来能实现以HNB为主的BNR工艺。通过全面调研ISI Web of Science（Thomson Reuters Inc.）网站1900~2020年论文发表情况，以”Heterotrophic nitrification”、“Heterotrophicnitrifying bacterium”、“Heterotrophic ammonia oxidation”或 “Heterotrophic nitrogen removal”等作为论文标题、摘要或全文的关键词，笔者总共收集了640篇发表于1930~2020年涉及异养硝化的国际期刊论文。BNR系统中异养硝化现象受到了全球6大洲30个国家研究者们的普遍关注，包括废水BNR系统HNB分离与表征、HNB生物强化应用、废水BNR系统中HNB对氨氧化的贡献评价等不同研究方向，中国研究者提供了>60%研究论文，是中国研究者贡献巨大、引领世界研究潮流的一个研究领域。

1930~2020年涉及废水BNR系统HNB的研究中，约40%调查了HNB分离菌株的微生物学特征和生理特性，本文从中获得了134株在属或种水平上被鉴定HNB的分类学信息，据此分析了废水BNR 系统HNB的遗传发育多样性。这些HNB分别隶属于四个菌门（即变形菌门、拟杆菌门、厚壁菌门和放线菌门），其中变形菌门和拟杆菌门HNB均属于革兰氏阴性菌，而厚壁菌门和放线菌门HNB都属于革兰氏阳性菌。变形菌门HNB隶属于3个菌纲（α-、β-和γ-proteobacteria）15个菌目25个菌科35个菌属。厚壁菌门HNB隶属于1个菌纲（Bacilli）1个菌目3个菌科4个菌属。放线菌门HNB隶属于1个菌纲（Actinobacteria）2个菌目7个菌科7个菌属。目前废水BNR系统只发现一株HNB（即Sphingobacterium mizutaii）隶属于拟杆菌门。图2为废水BNR系统中分离得到的134株HNB的系统发育多样性。大部分废水BNR系统HNB隶属于变形菌门（78%），其中52%隶属于γ-proteobacteria菌纲。γ-proteobacteria菌纲HNB主要隶属于Pseudomonas菌属（39%）和Acinetobacter菌属（20%），包含24个菌种（包括亚种或变种）。β-proteobacteria菌纲HNB主要隶属于Alcaligenes菌属（31%）和Diaphorobacter菌属（31%），包含10个菌种（包括亚种或变种）。α-proteobacteria菌纲HNB主要隶属于Paracoccus菌属（22%）和Ochrobactrum菌属（22%），包含10个菌种（包括亚种或变种）。厚壁菌门HNB主要隶属于Bacillus菌属（80%），包含10个菌种（包括亚种或变种）。放线菌门HNB主要隶属于Corynebacterium菌属（21%）和Microbacterium菌属（21%），包含11个菌种（包括亚种或变种）。

图2 废水BNR系统中HNB分离株的系统发育多样性

如表1所示，氨氧化功能基因丰度检测的准确性在很大程度上取决于相关引物的通用性和特异性。编码AMO蛋白的AOB基因为amoCAB基因簇，目前研究者们根据该基因簇的保守区域设计了amoA 1F/amoA 2R、A189/A682等多种引物对，其中引物对amoA1F/amoA 2R被设计用于特异性扩增β-Proteobacteria菌纲AOB amoA基因部分片段（产生491bp PCR产物），而不匹配γ-Proteobacteria菌纲AOB，是环境样品AOB amoA基因检测时使用最为广泛的引物对。然而，近年来许多研究发现，该引物对也可成功扩增出部分HNB的类amoA基因片段，比如α-Proteobacteria菌纲的Sphingomonas sp. YY2菌株，β-Proteobacteria菌纲的Janthinobacterium sp. M-11菌株，γ-Proteobacteria菌纲的Acinetobacter sp. YY1、Pseudomonas mohnii M-8、Pseudomonas sp. YY3和Stenotrophomonas maltophilia DQ01菌株，以及厚壁菌门Bacilli菌纲的Bacillus krulwichiae-like和Bacillus sp. LY菌株。因此，有研究者用引物对amoA 1F/amoA 2R来定量AOB和HNB的amoA基因总丰度，再用CTO189fA、CTO189fB、CTO189fC和CTO654r等引物定量AOB的16S rRNA基因丰度，从中得出AOB和HNB基因丰度。

表1 不同氨氧化微生物16SrRNA或脱氮功能基因常用扩增引物对及序列

总结与展望

因为特殊的氮转化特征，异养硝化菌在废水生物脱氮领域具有巨大的应用潜力，是以中国研究者贡献为主的生物脱氮领域，然而，缺乏对已有研究信息的全面把握限制了研究的深入开展。论文全面调研了国际期刊上自1930年至今发表的640篇相关报道，基于30个国家96种国际刊物的研究成果全面梳理了全球废水生物脱氮系统异养硝化菌研究脉络，进展和现状，为开展相关研究提供了重要的理论支撑。而且，由于这些复杂的氨氧化途径/微生物可能同时存在于某个废水BNR单元中，基于污泥中不同氨氧化微生物的丰度差异比较不同氨氧化途径/微生物对氨氧化过程的相对贡献（即氨氧化机制），进一步阐明不同工艺参数对氨氧化机制的影响，有助于控制、改进和优化BNR工艺，最终获得最适应实际水质和工况、效率最高的废水BNR工艺。

作者简介

第一作者简介：

段守鹏，北京师范大学环境学院本硕毕业，在Water Res.等期刊发表多篇论文，获国家奖学金、奥加诺奖学金等奖项，现于东莞中学松山湖学校任教。他的研究兴趣为废水处理新技术。

通讯作者简介：

郑少奎，博士，教授，博士生导师，主要从事微污染水/废水处理新技术研发工作，研发出（1）以节能降耗为特征的微好氧活性污泥UMSB工艺；（2）基于物化方法的微污染水（地下水、污水处理厂尾水）深度净化与再生新工艺与设备，均已完成中试。主持和参与国家973课题、国家自然科学基金、教育部新世纪人才支持计划等课题的研究工作，以第一作者或通讯作者在Environ. Sci. Technol.、Water Res.、Bioresource Technol.、Biomass Bioenerg.、Chemosphere、J. Hazard. Mater.等刊物上发表SCI论文数十篇，获授权中国发明专利7项，2011、2012年获北京市科学技术奖一等奖共2项，2011年入选教育部“新世纪优秀人才支持计划”。

|撰稿：北京师范大学郑少奎团队

|编排：曾镜羽

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