厭氧氨氧化（Anammox）厭氧氨氧化的發現與發展厭氧氨氧化菌的介紹厭氧氨氧化的反應機理厭氧氨氧化的工程應用2023/2/2高等微生物Anammox的發現與發展1977年，Broda根據自由能的變化，預言自然界中存在著能催化亞硝酸和硝酸氧化氨的細菌，認為它們是隱藏于自然界的自養型細菌。1995年，Mulder和Kuene等用流化床反應器研究生物反硝化時，發現了氨氮的厭氧生物氧化現象，從而證實了Broda的預言。1998年，荷蘭Paques公司和代爾夫特理工大學（TUDelft）于首次發展了厭氧氨氧化反應器。2002年，世界第一座Anammox工業化生產反應器在荷蘭鹿特丹污水處理廠投入運行。2006年，Strous等人完成對厭氧氨氧化菌的宏基因組測序2023/2/2高等微生物Anammox細菌的特征：個體形態特征： 厭氧氨氧化菌形態多樣,呈球形、卵形等，直徑0.8- 1.1μm。厭氧氨氧化菌是革蘭氏陰性菌。細胞外無莢膜。 細胞壁表面有火山口狀結構，少數有菌毛。.細胞內分隔 成3部分：厭氧氨氧化體(anammoxosome)、核糖細胞質 (riboplasm)及外室細胞質(paryphoplasm)生理生化特征： 厭氧氨氧化菌為化能自養型細菌,以二氧化碳作為唯一 碳源，通過將亞硝酸氧化成硝酸來獲得能量，對氧敏感。2023/2/2高等微生物三、特殊的細胞膜

其生物膜的脂質由五個碳環融合在一起形成一個密集的階梯。這種“梯形烷”脂質是獨特的，這種結構使得該膜非常致密，所以能夠阻止聯氨泄漏到細胞其余地方。目前EliasCorey已經在實驗室構造出該脂質的結構。2023/2/2高等微生物Anammox的反應機理反應方程式其中包括了分解代謝，合成代謝。 1.分解代謝： 2.合成代謝：其中NO2-具有雙重作用，一是作為厭氧氨氧化反應的電子受體；二是作為無機碳源固定的電子供體。2023/2/2高等微生物二、厭氧氨氧化的代謝過程

1、1997年，VandeGraaf等通過15N標記實驗發現：

厭氧氨氧化是以NO2-而不是NO3-為電子受體。

羥胺和聯氨ANAMMOX反應的重要代謝中間產物，羥胺可能來自NO2-，聯氨轉化為N2的過程被假定為給NO2-還原成羥胺提供電子。 而且有少量的NO2-轉化為NO3-，可能是為了給厭氧氨化菌固定碳提供電子。

2023/2/2高等微生物NiR：亞硝酸還原酶CytC:細胞色素C氧化酶HZO：可以催化氧化聯氨的一種酶， 它可以與羥胺結合，但不會 對它進行催化氧化HH：聯氨水解酶2023/2/2高等微生物

2、2006年，Strous通過對厭氧氨氧化菌的宏基因組圖譜分析提出了氮元素的轉化過程主要分三步：

Nir：亞硝酸還原酶HZS：聯氨合成酶 HDH：聯氨水解酶

2023/2/2高等微生物過程分析：

從厭氧氨氧化菌中分離獲得的HAO它不能將羥氨轉化成亞硝酸，只能將其轉化成NO或N20.該酶可以催化氧化聯氨，但對羥氨的親和力更強。補充說明： 在聯氨氧化成氮氣的過程中,可產生4個電子,這4個電子通過細胞色素c、泛醌、細胞色素bc1復合體以及其他細胞色素c傳遞給NiR和HH,其中3個電子傳遞給NiR,1個電子傳遞給HH.伴隨電子傳遞,質子被排放至厭氧氨氧化體膜外側,在該膜兩側形成質子梯度,驅動ATP合成2023/2/2高等微生物3、比較分析 1）、厭氧氨氧化過程中亞硝酸鹽確實變成了NO。 2）、與之前科學家們猜測的NO2-被還原成NH2OH極大地不同。更令人驚訝的是，經過大量的試驗證實，厭氧氨氧化菌內根本不存在羥氨合成酶。 3）、根據宏基因組測序，厭氧氨氧化菌還存在一種特殊的酶（Kustc1061），它能將NH2OH氧化成NO，這就解釋了為什么NH2OH也能促進厭氧氨氧化反應的試驗現象。2023/2/2高等微生物Anammox的影響因素影響因素pH泥齡（越長越好）氧溫度（30~35）超過45會不可逆失活基質濃度有抑制作用，微氧條件(<0.5%空氣飽和度)可完全抑制，但該抑制作用是可逆的；大于18%空氣飽和度，菌群不可恢復。承受限度（6.7~8.3）影響基質的有效性亞硝酸鹽是一種的毒性基質，一旦濃度過高，會對厭氧氨氧化菌產生明顯的抑制作用；氨濃度和硝酸鹽濃度低于1000mg/L2023/2/2高等微生物Anammox的工程應用Sharon-Anammox工藝是一種將短程硝化和厭氧氨氧化聯合的脫氮工藝（荷蘭Delft大學2001年開發的）。CANON工藝是一種在同一個反應器內實現亞硝化和厭氧氨氧化的脫氮工藝（荷蘭Delft大學2001年開發的）。2023/2/2高等微生物Sharon-Anammox工藝基本原理

在兩個反應器內，先在一個反應器內有氧條件下，利用氨氧化細菌將NH4+氧化生成NO2-；然后在另一個反應器缺氧條件下，以NH4+為電子供體，將NO2-反硝化。NH4++HCO3-+0.75O2→0.5NH4++0.5NO2-+CO2+1.5H2ONH4++1.32NO2-+0.066HCO3+0.13H+→1.02N2+0.26NO3-+0.066CH2O0.sN0.1s+2.03H2O優點

分別在兩個反應器內實現部分硝化和厭氧氨氧化，能優化兩類細菌的生存環境，運行性能穩定。2023/2/2高等微生物CANON工藝基本原理

亞硝化菌在有氧條件下把NH4+化成NO2-，厭氧氨氧化菌則在無氧條件下把NH4+和NO2-轉化為N2，即利用亞硝化菌和厭氧氨氧化菌的協同作用，在同一個反應器中完成亞硝化和厭氧氨氧化。NH4++1.5O2→NO2-+H2O+2H+NH4++1.3NO2-→1.02N2+0.26NO3-+2H2ONH4++0.85O2→0.43N2+0.13NO3-+1.3H2O+1.4H+二、優點限氧條件下進行節約供氧量理論上節約供氧62.5%硝化50%的氨氮控制在亞硝化階段節約堿度50%2023/2/2高等微生物Anammox優勢降低能耗：由于厭氧氨氧化工藝是在厭氧條件下直接將氨氮和