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单菌株(SND5)生物脱氮除磷:新加坡的新尝试
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 2020年10月,IWA学术期刊《Water Research》上发表了新加坡国立大学的研究,他们发现了一种Thauera sp.的新型菌株,并将其命名为SND5。该菌株可以同时去除污水中的氮和磷,与传统污水处理方法相比,大大减少了工艺占地面积,降低了运营成本和温室气体排放。在今年的IWA网络版世界水大会上,王庆坤博士作为代表更详细地分享了他们团队的最新研究进展。
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  图. 何建中副教授 (左) 和王庆坤(右)的合照 | 图源:新加坡国立大学
  同时脱氮除磷的细菌?
  大家都知道,传统的脱氮工艺通常需要有独立的缺氧区和好氧区,而且要对两个区的pH进行调节,一般要对好氧区投加NaOH补充碱度,而要对缺氧区投加HCl降低碱度。
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  过去工程界的主流观点认为硝化和反硝化是有两类菌群来完成的。但过去十年已经有若干研究显示,有一些细菌可以同时完成硝化和反硝化反应。这类细菌被统称为SND菌(Simultaneous Nitrification and Denitrification Bacteria)。目前有报道的SND菌包括:
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  除了脱氮,除磷工作也是污水处理的重要部分。生物除磷主要依靠聚磷菌(PAOs)来完成。
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  PAOs菌和反硝化菌两者之间会存在竞争关系,因为它们都在厌氧/缺氧区中,而它们都需要碳源维持自己的代谢繁殖。
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  而另一方面,微生物界又存在着可以进行反硝化反应的聚磷菌,例如Candidatus Accumulibacter phosphatis,因为对这些聚磷菌而言,硝酸盐或者亚硝酸盐也是他们可以利用的电子受体。
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  某天,研究团队在新加坡Ulu Pandan再生水厂进行常规检测时注意到好氧池发生了脱氮反应。而且在没有除磷菌的情况下,除磷率也比期望值高。他们因此提出了一个非常大胆的假设:这里边是不是有到一种细菌,它能同时完成硝化-反硝化,并且用亚硝酸盐/硝酸盐作为电子受体来吸收磷。
  于是他们取污水厂的污泥放入含有硝酸盐和乳酸(碳源)的反硝化溶液里,然后取部分培养物转移到装有琼脂的瓶中,继续用反硝化液来培养(还额外添加NaHPO4)。经过48小时、30℃的培养,他们看到琼脂培养基上长出了一些粘稠乳状、直径在2-5mm的浅黄色斑点。
  研究团队取部分斑点进行基因测序,结果显示,16S rRNA的基因与 Thauera 属最为相似,而且与 Thauera sp. 的序列相似性最高 (99%)。基于上述结果,他们将该菌株确认为Thauera属的新成员,并取名为SND5。
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  他们发现这个SND5菌可以利用各种碳源,包括乙酸、乳酸和琥珀酸等,而且在碳氮比低于5的情况下,SND5菌依然正常工作。如果只含硝酸盐的溶液进行反硝化反应时,没有观察到亚硝态氮的积累,它能将各种形态的氮转化成氮气。他们还发现,在SND5进行的异养氨氧化反应里,没有看到亚硝态氮/硝态氮的积累。
  传统的氨氧化路径是这样的:
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  在这过程会涉及到多种特征酶,包括氨单加氧酶(AMO)和羟胺脱氢酶(HAO)等,但他们也没有在SND5的基因组里检测到这些酶的基因,例如amoA基因、amoB基因和HAO基因等。
  SND5的氨氧化路径是否有别于传统过程呢?他们将这个问题转化成SND5的氨氧化是否用到羟胺 (NH2OH)这个中间物。为了验证这个问题,他们在一个封闭系统里,用羟胺作为唯一的氮源来进行测试(加入纯氧)。
  结果显示,封闭系统的羟胺和乳酸都有所减少,说明SND5可以将羟胺作为单一氮源。然而,在氨氧化的过程中,他们却没有检测到羟胺,而且氨氮的去除率和开放系统相当,同时也没有检测到一氧化二氮(N2O)。
  他们用Bruce Rittmann教授和Perry McCarty教授在2012年曾借助热力学反应式指出:从氨氧化到氮气之间转化,理论上是可以只用氧气作为电子受体,不需要N2O作为中间产物。所以王博士认为,SND5的氨氧化路径可能是这样的:
  NH4+ → NH2OH → N2
  基于以上发现,王博士指出,相比传统硝化/反硝化方法,用SND5来脱氮的一大优势就是可以减少N2O的产生,从而减少温室气体的排放。
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  另外有趣的是,他们的实验结果还显示,SND5还可以作为反硝化聚磷菌(DPAOs)来去除污水中的磷,电子受体可以是氧气,也可以是硝酸盐或者亚硝酸盐.
  王博士还提到,其实SND5并不罕见,他们的丰度数据显示,在世界各地的污水厂都能会找到SND5的身影,说明其实SND5早就存在,只是我们现在才真正发现了它。
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  SND5和Anammox强强联合?
  研究团队也尝试回答一个更重要的问题:城市污水的处理能用到SND5吗?他们在新加坡的一个IVP污水测试厂对三种不同进料模式分别进行了测试。
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  结果显示,SND在脱氮过程中扮演着重要角色,在其中两种进料模式下的贡献率达41.8%和30.6%。
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  在报告最后,王博士还提出了一个有趣的假设:是否可以将SND5和厌氧氨氧化菌(anammox)一同用于到主流污水处理线中?下图是他的设想:缺氧区用anammox脱氮,在好氧区用SND来脱氮除磷。
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  Anammox和SND5联合打造新的主流生物脱氮除磷工艺?
  新加坡团队的发现再一次颠覆了我们对生物脱氮除磷的认识,也为日后更多的工艺创新提供理论基础。那么用SND+anammox的单个菌种来处理市政污水的设想是否行得通呢?我们期待他们日后更多的研究来揭晓。
  对他们的研究感兴趣的读者,可以回看王博士报告的完整视频:
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  参考资料
  https://news.nus.edu.sg/a-new-multitasking-microbe-to-purify-wastewater/
  https://hal.archives-ouvertes.fr/hal-01883538/document
  https://vtechworks.lib.vt.edu/bitstream/handle/10919/103073/Klaus_SA_D_2019.pdf?sequence=1&isAllowed=y
  https://www.asianscientist.com/2020/12/in-the-lab/thauera-snd5-nitrogen-phosphorus-wastewater-treatment/
  https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S0043135420308368

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