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。
　　
　　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。
　　
　　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：
　　

　　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。
　　
　　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。
　　
　　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。
　　
　　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。
　　
　　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：
　　
　　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。
　　

　　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。
　　
　　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。
　　
　　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%。
　　
　　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。
　
　　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：

　　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