厌氧氨氧化的简介——李权

2015年11月1日
高等微生物
Sharon-Anammox工艺
一．基本原理
在两个反应器内，先在一个反应器内有氧条件下，利用氨氧化细 菌将NH4+氧化生成NO2-；然后在另一个反应器缺氧条件下，以NH4+为电 子供体，将NO2-反硝化。 NH4++ HCO3-+ 0.75O2→ 0.5NH4++ 0.5NO2-+ CO2+ 1.5H2O NH4++ 1.32NO2-+ 0.066HCO3+ 0.13H+→ 1.02N2+ 0.26NO3-+ 0.066CH2O0.sN0.1s+ 2.03H2O
2015年11月1日
高等微生物
Anammox 的反应机理
一．反应方程式
其中包括了分解代谢，合成代谢。 1.分解代谢： 2.合成代谢：
其中NO2 具有双重作用，一是作为厌氧氨氧化反应的电子受体；二是作 为无机碳源固定的电子供体。
-
2015年11月1日
高等微生物
二、厌氧氨氧化的代谢过程
1、1997年，Van de Graaf 等通过15N 标记实验发现：
一．优点
分别在两个反应器内实现部分硝化和厌氧氨氧化，能优化两类细 菌的生存环境，运行性能稳定。
2015年11月1日 高等微生物
CANON工艺
一．基本原理
亚硝化菌在有氧条件下把NH4+化成NO2-，厌氧氨氧化菌则在无氧条件下 把NH4+和NO2-转化为N2，即利用亚硝化菌和厌氧氨氧化菌的协同作用，在同一个 反应器中完成亚硝化和厌氧氨氧化。
一．生理生化特征：
作为唯一 对氧敏感。
厌氧氨氧化菌为化能自养型细菌 , 以二氧化碳 碳源，通过将亚硝酸氧化成硝酸来获得能量，
2015年11月1日
高等微生物
三、特殊的细胞膜
其生物膜的脂 质由五个碳环融合在 一起形成一个密集的 阶梯。这种“梯形烷” 脂质是独特的，这种 结构使得该膜非常致 密，所以能够阻止联 氨泄漏到细胞其余地 方。目前Elias Corey已经在实验室构 造出该脂质的结构。
厌氧氨氧化（Anammox ）
厌氧氨氧化的发现与发展
厌氧氨氧化菌的介绍
厌氧氨氧化的反应机理 厌氧氨氧化的工程应用
2015年11月1日 高等微生物
Anammox 的发现与发展
1977年， Broda根据自由能的变化，预言自然界中存在着能催化亚硝 酸和硝酸氧化氨的细菌，认为它们是隐藏于自然界的自养型细菌。 1995年，Mulder 和Kuene等用流化床反应器研究生物反硝化时，发 现了氨氮的厌氧生物氧化现象，从而证实了Broda的预言。 1998年，荷兰Paques公司和代尔夫特理工大学（TU Delft）于首次 发展了厌氧氨氧化反应器。
2015年11月1日 高等微生物
Anammox 的影响因素
氧 温度（30~35） 超过45会不可逆失活 泥龄（越长越好）
有抑制作用，微氧条件 (<0.5%空气饱和度) 可完 全抑制，但该抑制作用是 可逆的；大于18%空气饱 和度，菌群不可恢复。
pH
承受限度（6.7~8.3） 影响基质的有效性
影响 因素
2015年11月1日 高等微生物
Anammox优势
降低能耗：由于厌氧氨氧化工艺是在厌氧条件下直接将氨 氮和亚硝氮转化成氮气，同时在好氧段只需将氨氮氧化为 亚硝氮，省略后续亚硝氮氧化为硝态氮，所以节省了曝气 量。 能源回收：厌厌氧氨氧化菌将传统反硝化过程所需的外加 碳源全部省略，污水中的有机物可最大限度的进行回收产 甲烷，而不是被氧化成二氧化碳
2002年，世界第一座Anammox工业化生产反应器在荷兰鹿特丹污水 处理厂投入运行。
2006年，Strous等人完成对厌氧氨氧化菌的宏基因组测序
2015年11月1日
高等微生物
Anammox细菌的特征：
一．个体形态特征：
厌氧氨氧化菌形态多样 , 呈球形、卵形等，直 径0.81.1 μm。厌氧氨氧化菌是革兰氏阴性菌。细胞 外无荚膜。 细胞壁表面有火山口状结构，少数有菌毛。 . 细胞内分隔 成 3 部分：厌氧氨氧化体 (anammoxosome) 、核 糖细胞质 (riboplasm )及外室细胞质(paryphoplasm )
2015年11月1日
高等微生物
3、比较分析
1）、厌氧氨氧化过程中亚硝酸盐确实变成了NO。
2）、与之前科学家们猜测的NO2- 被还原成NH2OH极 大地不同。更令人惊讶的是，经过大量的试验证实，厌氧氨 氧化菌内根本不存在羟氨合成酶。
3）、根据宏基因组测序，厌氧氨氧化菌还存在一种特 殊的酶（Kustc1061），它能将 NH2OH 氧化成 NO，这就解 释了为什么 NH2OH 也能促进厌氧氨氧化反应的试验现象。
基质浓度
亚硝酸盐是一种的毒性基质，一 旦浓度过高，会对厌氧氨氧化菌 产生明显的抑制作用；氨浓度和 硝酸盐浓度低于1000 mg/L
2015年11月1日
高等微生物
Anammox的工程应用 Sharon-Anammox 工艺是一种将短程硝化和厌 氧氨氧化联合的脱氮工艺（荷兰Delft大学2001年 开发的）。 CANON 工艺是一种在同一个反应器内实现亚硝 化和厌氧氨氧化的脱氮工艺（荷兰Delft大学2001 年开发的）。
HZS：联氨合成酶 HDH：联氨水解酶
2015年11月1日 高等微生物
过程分析：
从厌氧氨氧化菌中分离获得的HAO 它不能将羟氨转化成亚硝酸， 只能将其转化成NO或N20. 该酶可以催化氧化联氨，但对 羟氨的亲和力更强。
补充说明： 在联氨氧化成氮气的过程中,可产生4个电子,这4个电子通过细胞 色素c、泛醌、细胞色素bc1复合体以及其他细胞色素c传递给NiR和HH, 其中3个电子传递给NiR,1个电子传递给HH.伴随电子传递 ,质子被排放至 厌氧氨氧化体膜外侧,在该膜两侧形成质子梯度,驱动ATP合成
NH4+ + 1. 5 O2 →NO2- + H2O + 2H+ NH4+ + 1. 3NO2- →1. 02N2 + 0. 26NO3-+ 2H2O NH4+ + 0. 85O2 → 0. 43N2 + 0. 13NO3-+ 1. 3H2O + 1. 4H+ 二、优点
限氧条件下进行节约供氧量理论上节约供氧62.5% 硝化50%的氨氮控制在亚硝化阶段节约碱度50%
高等微生物
NiR：亚硝酸还原酶 Cyt C:细胞色素C氧化酶
HZO：可以催化氧化联氨的一种酶，
它可以与羟胺结合，但不会 对它进行催化氧化 HH：联氨水解酶
2015年11月1日
高等微生物
2、2006年，Strous 通过对厌氧氨氧化菌的宏基因组图谱分 析提出了氮元素的转化过程主要分三步：
Nir：亚硝酸还原酶
2015年11月1日
高等微生物
2015年11月1日
高等微生物
ห้องสมุดไป่ตู้
厌氧氨氧化是以NO2-而不是NO3-为电子受体。
羟胺和联氨 ANAMMOX 反应的重要代谢中间产物，
羟胺可能来自 NO 2 - ，联氨转化为 N 2 的过程被假定为给 NO2-还原成羟胺提供电子。 而且有少量的 NO 2 - 转化为 NO 3 - ，可能是为了给厌氧 氨化菌固定碳提供电子。
2015年11月1日