厌氧氨氧化的简介——李权全解演示教学.ppt

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1、厌氧氨氧化厌氧氨氧化(ynghu)（Anammox）v厌氧氨氧化的发现与发展厌氧氨氧化的发现与发展(fzhn)(fzhn)v厌氧氨氧化菌的介绍厌氧氨氧化菌的介绍v厌氧氨氧化的反应机理厌氧氨氧化的反应机理v厌氧氨氧化的工程应用厌氧氨氧化的工程应用第一页，共16页。2022/11/17高等高等(godng)微生物微生物Anammox 的发现的发现(fxin)与发展与发展1977年年，Broda根根据据自自由由能能的的变变化化，预预言言自自然然界界中中存存在在着着能能催催化化亚亚硝硝酸酸和和硝硝酸酸氧氧化化(ynghu)氨氨的的细细菌菌，认认为为它它们们是是隐隐藏藏于于自自然然界界的的自自养养型型细

2、菌。细菌。1995年年，Mulder和和Kuene等等用用流流化化床床反反应应器器研研究究生生物物反反硝硝化化时时，发发现现了氨氮的厌氧生物氧化了氨氮的厌氧生物氧化(ynghu)现象，从而证实了现象，从而证实了Broda的预言。的预言。1998年年，荷荷兰兰Paques公公司司和和代代尔尔夫夫特特理理工工大大学学（TU Delft）于于首首次次发发展了厌氧氨氧化展了厌氧氨氧化(ynghu)反应器。反应器。2002年年，世世界界第第一一座座Anammox工工业业化化生生产产反反应应器器在在荷荷兰兰鹿鹿特特丹丹污污水水处处理厂投入运行。理厂投入运行。2006年，年，Strous等人完成对厌氧氨氧化

3、等人完成对厌氧氨氧化(ynghu)菌的宏基因组测序菌的宏基因组测序第二页，共16页。2022/11/17高等高等(godng)微生物微生物Anammox细菌的特征：个体形态特征：厌氧氨氧化菌形态多样,呈球形、卵形等，直径0.8-1.1m。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)生理生化特征：厌氧氨氧化菌为化能自养(z yn)型细菌,以二氧化碳作为唯一碳源，通过将亚硝酸氧化成硝酸来获得能量，对氧敏感

4、。第三页，共16页。2022/11/17高等高等(godng)微生物微生物三、特殊(tsh)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。第四页，共16页。2022/11/17高等高等(godng)微生物微生物Anammox 的反应的反应(fnyng)机理机理1反应方程式2其中包括了分解代谢，合成(hchng)代谢。31.分解代谢：42.合成(hchng)代谢：5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

5、为无机碳源固定的电子供体。第五页，共16页。2022/11/17高等高等(godng)微生物微生物二、厌氧氨氧化(ynghu)的代谢过程1、1997年，Van de Graaf 等通过15N 标记实验发现：厌氧氨氧化(ynghu)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NO2-，联氨转化为N2的过程被假定为给NO2-还原成羟胺提供电子。而且有少量的NO2-转化为NO3-，可能是为了给厌氧氨化菌固定碳提供电子。第六页，共16页。2022/11/17高等高等(godng)微生物微生物NiR：亚硝酸还原酶：亚硝酸还原酶Cyt C:细胞色素细胞

6、色素C氧化酶氧化酶HZO：可以催化氧化联氨的一种：可以催化氧化联氨的一种(y zhn)酶，酶，它可以与羟胺结合，但不会它可以与羟胺结合，但不会对它进行催化氧化对它进行催化氧化HH：联氨水解酶：联氨水解酶第七页，共16页。2022/11/17高等高等(godng)微生物微生物 2、2006年，Strous通过对厌氧氨氧化菌的宏基因组图谱(tp)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HZS：联氨合成酶 HDH：联氨水解酶第八页，共16页。2022/11/17高等高等(godng)微生物微生物过程分析：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

7、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(tnggu)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合成第九页，共16页。2022/11/17高等高等(godng)微生物微生物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(jnggu)大量的试验证实，厌氧氨氧化菌内根本

8、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。第十页，共16页。2022/11/17高等高等(godng)微生物微生物Anammox 的影响的影响(yngxing)因素因素影响影响(yngxing)因素因素pH泥龄（越长越好）泥龄（越长越好）氧氧温度温度(wnd)（3035）超过超过45会不可逆失活会不可逆失活基质浓度基质浓度有抑制作用，微氧条件有抑制作用，微氧条件(0.5%空气饱和度空气饱和度)可完全可完全抑制，抑制，但该抑制作用是可但该抑制作用

9、是可逆的；逆的；大于大于18%空气饱和度空气饱和度，菌群不可恢复。菌群不可恢复。承受限度（承受限度（6.78.3）影响基质的有效性影响基质的有效性亚硝酸盐是一种的毒性基质，一旦浓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度过高，会对厌氧氨氧化菌产生明显的抑制作用的抑制作用；氨浓度和硝酸盐浓度低于氨浓度和硝酸盐浓度低于1000 mg/L第十一页，共16页。2022/11/17高等微生物高等微生物Anammox的工程应用(yngyng)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

10、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）。第十二页，共16页。2022/11/17高等高等(godng)微生物微生物Sharon-Anammox工艺工艺(gngy)1基本原理2 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(qu yn)条件下，以NH4+为电子供体，将NO2-反硝化。3NH4+HCO3-+0.75O2 0.5NH4+0.5NO2-+CO2+1.5H2O4NH4+1.32NO2-+0.066HCO3+0.13H+5 1.02N2+0.26NO3-+0.066CH2O0.sN0.1

11、s+2.03H2O6优点7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。第十三页，共16页。2022/11/17高等高等(godng)微生物微生物CANON工艺工艺(gngy)1基本原理基本原理2亚亚 硝硝 化化 菌菌 在在 有有 氧氧 条条 件件 下下 把把 NH4+化化 成成 NO2-，厌厌 氧氧 氨氨 氧氧 化化(ynghu)菌菌则则在在无无氧氧条条件件下下把把NH4+和和NO2-转转化化为为N2，即即利利用用亚亚硝硝化化菌菌和和厌厌氧氧氨氨氧氧化化(ynghu)菌菌的的协协同同作作用用，在在同同一一个个反反应应器器中中完完成成亚硝化和厌氧氨氧化亚硝

12、化和厌氧氨氧化(ynghu)。3NH4+1.5 O2 NO2-+H2O+2H+4NH4+1.3NO2-1.02N2+0.26NO3-+2H2O5NH4+0.85O2 0.43N2+0.13NO3-+1.3H2O+1.4H+6二、优点二、优点7限氧条件下进行节约供氧量理论上节约供氧限氧条件下进行节约供氧量理论上节约供氧62.5%8硝化硝化50%的氨氮控制在亚硝化阶段节约碱度的氨氮控制在亚硝化阶段节约碱度50%第十四页，共16页。2022/11/17高等高等(godng)微生物微生物Anammox优势优势(yush)降低(jingd)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第十五页，共16页。2022/11/17高等高等(godng)微生物微生物第十六页，共16页。2022/11/17高等高等(godng)微生物微生物