摘要
厭氧氨氧化（Anammox）工藝在高氨氮廢水處理領域展現(xiàn)了獨特的優(yōu)勢和良好的應用前景。然而，Anammox菌對多種環(huán)境條件敏感且易受各類污染物抑制，嚴重制約了Anammox工藝的推廣應用。綜述了多種工藝運行參數(shù)和抑制因子對Anammox菌的影響及其作用機制，以期為Anammox工藝的后續(xù)研究和工程應用提供參考?？傮w上，pH對Anammox菌生長和代謝的直接影響以及pH變化帶來的游離基質(zhì)毒性抑制不容忽視，冷休克蛋白則可以一定程度上消除低溫對Anammox菌的負面影響。此外，不同的Anammox菌具有多種策略耐受自然和工程生態(tài)系統(tǒng)中的氧氣。低濃度的有機物有助于Anammox菌與異養(yǎng)菌形成穩(wěn)定的協(xié)同作用，合成或轉(zhuǎn)運相容性物質(zhì)或攝入鹽分的方式是Anammox菌適應鹽度脅迫的主要機制，低濃度的重金屬離子刺激Anammox菌分泌大量的胞外聚合物抵御脅迫，且Anammox菌產(chǎn)生的大部分能量被用于去除胞內(nèi)的金屬離子。
厭氧氨氧化（Anammox）工藝具有脫氮效率高和運行成本低的優(yōu)點，在高氨氮廢水處理領域具有獨特的優(yōu)勢和良好的應用前景。Anammox系統(tǒng)的脫氮性能與生物反應器內(nèi)Anammox菌的活性及其數(shù)量息息相關，但是Anammox菌生長極其緩慢、倍增時間長達11 d，且Anammox菌只有在細胞密度到達一定閾值（1010~1011 mL-1）時才表現(xiàn)出活性，同時Anammox菌對多種環(huán)境條件極為敏感，導致Anammox工藝存在啟動時間長和運行穩(wěn)定性差等問題，嚴重制約了Anammox工藝的推廣應用。為使Anammox系統(tǒng)在運行過程中保持較高的脫氮性能，需要避免一些不利因素對Anammox活性的抑制，而廢水處理過程中的運行參數(shù)和廢水中存在的抑制因子都可能抑制Anammox菌的活性。例如，pH可以顯著影響Anammox反應的底物形態(tài)，使得游離氨（FA）和游離亞硝酸鹽（FNA）濃度出現(xiàn)波動，導致反應器內(nèi)的基質(zhì)濃度發(fā)生變化以及pH變化帶來的游離基質(zhì)毒性抑制。此外，溫度也是影響Anammox菌活性的重要因素，當環(huán)境溫度低于微生物所能承受的最低溫度時，細胞半流動狀態(tài)的細胞膜將呈現(xiàn)凝膠化，阻礙了細胞正常的生命活動。
與此同時，在實際運行過程中成分復雜的污水通常含有多種毒害物質(zhì)，導致Anammox工藝極易受到各種抑制因子的干擾。污水中的毒害有機物來源廣泛，其中具有代表性的有酚類、醇類及醛類等，研究表明毒害有機物通常會使參與Anammox反應的關鍵酶失活，且此類基于生物毒性的抑制通常是不可逆的。此外，工業(yè)廢水中存在的高鹽和高濃度重金屬對Anammox菌的毒害作用也不容忽視。高鹽度可以導致污泥的聚集指數(shù)和疏水性降低，不利于污泥的聚集，而Anammox菌體內(nèi)積累的重金屬則會導致聯(lián)氨脫氫酶和血紅色素c的含量降低，從而導致Anammox系統(tǒng)的脫氮性能降低。隨著Anammox工藝在主流污水處理中逐漸普及，環(huán)境突發(fā)事件通常會給污水處理中的Anammox菌帶來短期暴露風險，維持和加強Anammox過程的穩(wěn)定性和高效性成為發(fā)展碳中和型污水處理廠的關鍵單元。近年來，為了實現(xiàn)Anammox工藝的快速啟動和長期穩(wěn)定運行，研究者圍繞Anammox工藝的影響因素和運行參數(shù)優(yōu)化等方面開展了廣泛的研究，積累了大量的有益成果，先前的綜述主要集中于Anammox菌活性的變化、胞外聚合物含量和組分的響應以及細胞內(nèi)氮代謝酶活性的變化。然而，工程生物處理系統(tǒng)中的工藝調(diào)整和水質(zhì)波動通常會導致Anammox系統(tǒng)存在抑制和恢復的過程，但其影響Anammox系統(tǒng)運行性能的程度及潛在的抑制機理仍然有待研究。此外，厭氧氨氧化體作為Anammox菌內(nèi)重要的細胞結構，面對抑制因子的脅迫時，厭氧氨氧化體的膜流動性和相關蛋白含量變化仍需要進行系統(tǒng)地總結和分析。筆者重點梳理了Anammox工藝的運行參數(shù)和廢水中的抑制因子對Anammox菌的影響及其響應機制，總結了相應的修復緩解策略，以期為Anammox菌的后續(xù)研究和工程應用提供參考。
1運行參數(shù)對Anammox菌脫氮性能的影響及其作用機制
Anammox工藝在污泥消化液、垃圾滲濾液等高氨氮工業(yè)廢水中的應用日趨成熟，但仍存在水質(zhì)條件要求高、應用范圍窄的難題。為了使Anammox工藝維持較高的脫氮性能，通常需要避免一些不利因素對Anammox菌活性的影響，其中pH、溫度和溶解氧是影響Anammox工藝穩(wěn)定運行的關鍵因素。
1.1 pH
廢水處理中pH不僅可以直接影響Anammox菌的活性，而且還可以通過影響反應器內(nèi)的酸堿電離平衡降低Anammox菌對基質(zhì)的利用能力。一般認為，只有將反應器的pH控制在中性偏弱堿性的范圍內(nèi)（約7.5）才能取得理想的Anammox脫氮效果，強酸（pH=5.5）或強堿（pH=9.0）環(huán)境會導致Anammox顆粒污泥解體，嚴重影響反應器的脫氮性能圖1（a）。研究表明反應器內(nèi)的pH從7.0下降至6.0后，粒徑為2~3 mm的Anammox顆粒污泥數(shù)量減少了17%，直接導致反應器的Anammox活性下降35.4%。因此，維持反應器的pH在合適范圍對于Anammox過程的成功啟動和穩(wěn)定運行具有重要意義。
圖1 pH對Anammox系統(tǒng)的影響
有研究報道，過高或過低的pH都會改變細胞膜兩側的電荷，導致細胞膜表面的蛋白和酶結構破壞，阻礙細胞對基質(zhì)的吸收，1。與此同時，pH的變化通常還會改變反應器內(nèi)NH4+/NH3和NO2-/HNO2的酸堿電離平衡圖1（b）。當pH大于9.0時，反應器內(nèi)的游離氨濃度迅速升高，過高的游離氨使得細胞膜的通透性增加，導致細胞內(nèi)的物質(zhì)外流，嚴重抑制了Anammox菌的活性。此外，研究證實pH除了對微生物的生命活動和物質(zhì)代謝產(chǎn)生直接影響外，還能通過影響Anammox菌之間的群體感應來間接影響細菌活性和脫氮性能圖1（c）5，1。當pH從7.5升高至8.5時，Anammox菌釋放的信號分子N-己?；?L-高絲氨酸內(nèi)酯（C6-HSL）和辛?；?L-高絲氨酸內(nèi)酯（C8-HSL）的質(zhì)量分數(shù)分別降低了56%和40%，且胞外聚合物的產(chǎn)量也降低了37%。當信號分子C6-HSL和C8-HSL的濃度不足以觸發(fā)群體感應的響應時，Anammox菌未表現(xiàn)出活性，只有當反應器內(nèi)的信號分子濃度達到相應閾值，且與受體蛋白結合后才能有效激活Anammox的功能基因表達。與此同時，反應器內(nèi)的pH變化（7.5~8.5）也會導致懸浮污泥中的次級信號分子環(huán)二鳥苷酸（C-di-GMP）的含量顯著降低，加劇反應器內(nèi)污泥的流失，同時導致反應器內(nèi)亞硝酸鹽氧化細菌的豐度增加，使得Anammox菌處于競爭劣勢?？傮w上，pH對反應器脫氮性能的影響主要集中于3個方面：1）pH對微生物生長和代謝的直接影響；2）pH變化引起FA和FNA濃度波動，導致反應器內(nèi)的基質(zhì)濃度發(fā)生變化以及游離基質(zhì)帶來的毒性抑制；3）pH影響Anammox系統(tǒng)的群體感應過程間接影響Anammox菌的活性和脫氮性能6-1。此外，當外部環(huán)境的pH偏離Anammox菌的最佳生長范圍時，可以采用以下3種措施來緩解pH的抑制作用：1）延長廢水的停留時間，為Anammox菌提供充足的分解時間，進而緩解反應器內(nèi)的酸化現(xiàn)象；2）投加酸堿調(diào)節(jié)劑來控制反應器內(nèi)的pH在適宜的范圍內(nèi)，但需要實時監(jiān)測反應器內(nèi)的pH變化，避免對Anammox系統(tǒng)造成沖擊；3）添加鈣、鎂等金屬離子緩沖劑形成弱酸強堿鹽，進而緩解Anammox系統(tǒng)的酸化現(xiàn)象。
1.2溫度
為了實現(xiàn)Anammox工藝在高寒地區(qū)的工程應用，通常希望在低溫條件下實現(xiàn)Anammox過程的穩(wěn)定運行。截至目前，研究人員采用了不同的控制策略來促使Anammox菌適應低溫，其中主要有以下3種適應低溫的方法：1）長期低溫培養(yǎng)Anammox污泥，逐步富集適應低溫的Anammox菌；2）逐步降低培養(yǎng)溫度，從而達到逐漸適應的效果3-2；3）短時間內(nèi)快速降低培養(yǎng)溫度，促使Anammox菌適應低溫并維持活性。相較于前兩種低溫適應策略通常需要幾個月或幾年的時間，短時間內(nèi)快速降低培養(yǎng)溫度促使Anammox菌適應低溫，可能更具有實際的工程意義。V.KOUBA等在45 d內(nèi)連續(xù)3次將Anammox菌的培養(yǎng)溫度從24℃降低至5℃，每次在5℃條件下暴露8 h，結果表明該模式能夠?qū)⑴囵B(yǎng)溫度為10℃的單位VSS的Anammox菌活性提高至54 g/（kg·d）（以N計），遠高于對照組的Anammox活性。
低溫降低了Anammox菌群的代謝活性，顯著影響了Anammox菌的CO2固定、三羧酸（TCA）循環(huán)和丙酮酸代謝過程。當溫度從35℃下降至20℃時，Ca.Kuenenia存在嚴重的能量運輸限制和應激反應，且蛋白表達水平顯著降低。此外，研究證實培養(yǎng)溫度的變化還可能導致Anammox菌膜組分的階梯烷脂烷基的側鏈長度發(fā)生變化。Anammox菌為了保持生命體在最適溫度，可能會上調(diào)或下調(diào)厭氧氨氧化體膜的C20［5］-階梯烷脂肪酸和C18［5］-階梯烷脂肪酸的豐度比來保持膜的流動性，從而維持生命體內(nèi)穩(wěn)定的相變溫度和細胞器膜的剛性。此外，不管是逐步降低培養(yǎng)溫度還是短時間內(nèi)快速降低培養(yǎng)溫度都會誘導較短的C18［5］-階梯烷脂肪酸的合成，同時導致直鏈/支鏈烷基變得更短（C14~C16）。與此同時，溫度變化對Anammox菌的蛋白含量和表達水平的影響也是另一關鍵因素。當反應器內(nèi)的溫度從35℃下調(diào)至25℃時，Anammox菌分泌了過量的冷休克蛋白和關鍵酶來消除溫度變化帶來的負面影響，使得Ca.Brocadia fulgida在適應溫度變化方面比其他Anammox物種更具有競爭優(yōu)勢。面對低溫對Anammox菌的基因表達帶來的障礙，冷休克蛋白作為一種小分子RNA結合蛋白，可以通過破壞RNA二級結構來促進基因在低溫生長過程中的表達。V.KOUBA等研究報道短時間內(nèi)快速降低培養(yǎng)溫度可以顯著促進多種冷休克蛋白（如ppiD、UspA、pqqC、CspB和TypA）的分泌，其中無論是在短時間內(nèi)快速降低培養(yǎng)溫度還是逐步降低培養(yǎng)溫度，兩種冷休克蛋白CspB和TypA的產(chǎn)量都得到了顯著提高，多種冷休克蛋白的作用在一定程度上消除了低溫對Anammox菌的負面影響。此外，在低溫條件下，顆粒污泥或生物膜形式的載體可能是Anammox工藝穩(wěn)定運行的關鍵。研究表明絮狀污泥和生物膜的復合系統(tǒng)不僅可以增加生物量，促進Anammox菌的富集，還可以增強微生物之間的協(xié)同合作，進而增強Anammox系統(tǒng)對低溫沖擊的抵抗能力。與此同時，一些外源添加物也被證實可以用于緩解Anammox菌遭受的低溫脅迫。例如，研究表明添加適量的Fe（Ⅱ）可以促進Anammox系統(tǒng)在低溫條件下保持良好的脫氮性能和顆粒污泥穩(wěn)定性。
1.3溶解氧
溶解氧是影響Anammox過程的關鍵參數(shù)，研究表明，低濃度的溶解氧（0.25%~2%氧飽和度）對Anammox菌產(chǎn)生的抑制是可逆的，而高濃度的溶解氧（>20%氧飽和度）能對Anammox菌產(chǎn)生不可逆的抑制。其中，氧氣參與生成的氧化物或自由基是導致Anammox菌產(chǎn)生氧化應激反應的驅(qū)動因素。面對氧化應激反應，微生物通常通過快速降低能量代謝的轉(zhuǎn)錄水平和上調(diào)外排泵及鞭毛組裝基因的表達來應對代謝活動受到抑制。研究發(fā)現(xiàn)2 mg/L的溶解氧將導致Ca.Kuenenia stuttgartiensis產(chǎn)生劇烈的氧化應激反應，顯著下調(diào)參與中心代謝過程的基因轉(zhuǎn)錄水平，并將能量轉(zhuǎn)移至鞭毛組裝和金屬離子轉(zhuǎn)運模塊，但其也可能通過合成鳥苷四磷酸，并激活氧化應激反應來應對溶解氧暴露帶來的脅迫壓力。
近年來，研究發(fā)現(xiàn)Anammox菌可能是耐氧細菌而不是嚴格的厭氧細菌，不同的Anammox菌具有多種策略耐受自然和工程生態(tài)系統(tǒng)中的氧氣脅迫。例如，Ca.Loosdrechtia aerotolerans能夠編碼和表達與氧化應激相關的超氧化物歧化酶和過氧化氫酶，從而避免活性氧物種對細胞結構造成損害?；蚪M學分析發(fā)現(xiàn)，Ca.Loosdrechtia aerotolerans能夠編碼具有特定銅結合位點的多銅氧化酶（膽紅素氧化酶），基因的異源表達和蛋白質(zhì)分離純化分析表明Ca.Loosdrechtia aerotolerans能夠利用多銅氧化酶氧化膽紅素來緩解氧氣脅迫。參與Anammox代謝的酶主要分布于厭氧氨氧化體，而細胞質(zhì)中合成的膽紅素氧化酶可以跨膜轉(zhuǎn)運至厭氧氨氧化體，并通過氧化有機物過程清除從周圍環(huán)境中擴散進入的氧氣，從而減少氧氣對Anammox菌關鍵酶活性的抑制。M.OSHIKI等的研究也表明，能夠產(chǎn)生高濃度膽紅素氧化酶的Ca.Brocadia caroliniensis和Ca.Kuenenia fulgida具有更高的氧氣耐受性。此外，研究還發(fā)現(xiàn)Anammox菌的基因組中存在抗氧化基因，Ca.Kuenenia和Ca.Scalindua可能通過編碼產(chǎn)生cbb3型細胞色素c氧化酶清除細胞中的氧氣，從而提高Anammox菌對氧氣的耐受能力。此外，在顆粒污泥或生物膜系統(tǒng)中氨氧化細菌主要生長在污泥的表層，而Anammox菌位于污泥內(nèi)部，當溶解氧濃度較低時，表層的氨氧化細菌消耗了大部分向污泥內(nèi)部擴散的氧氣，從而使得污泥內(nèi)部的Anammox菌處于厭氧或缺氧的微環(huán)境，但當反應器內(nèi)的溶解氧質(zhì)量濃度大于1 mg/L時，其擴散速度遠大于生物膜表層的氨氧化細菌對氧氣的消耗速度，生物膜內(nèi)部多余的氧氣將對Anammox菌產(chǎn)生明顯的抑制作用。因此，根據(jù)微生物的氧親和力差異，顆粒污泥或生物膜形式的載體有利于避免Anammox菌受到溶解氧的抑制。
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