厌氧氨氧化生物脱氮技术 Anaerobic Ammonia Oxidation (ANAMMOX) Technology for Biological Nitrogen Removal,,,,,Microbiology,,,,,Contents,What is ANAMMOX,Applications,1,2,3,4,Mechanism,,,Prospects,5,,,,,Microbiology,,,,,Contents,What is ANAMMOX,Applications,1,2,3,4,Mechanism,,,Prospects,5,What is ANAMMOX,,ΔGO' = -358 kJ (mol NH4+)-1,以亚硝酸盐作为氧化剂将氨氧化成氮气，或以氨作为电子供体将亚硝酸盐还原为氮气的生物反应，称为厌氧氨氧化(Anaerobic ammonium oxidation, ANAMMOX) 能够进行厌氧氨氧化的微生物，称为厌氧氨氧化菌厌氧氨氧化的发现加深了人们对氮素循环的认识，也为人们研究和开发新型生物脱氮工艺提供了理论依据What is ANAMMOX,In 1977, Broda published a theoretical paper entitled” Tow linds of lithotrophs missing in nature”describing the potential existence of chemolithotrophic bacteria able to oxidize ammonia to dinitrogen with nitrate, carbon dioxide or oxygen as oxidant. 1995 年，Mulder 在FEMS Microbiol Ecol 上发表了第一篇有关ANAMMOX 的文章。
在运行三级生物脱氮流化床反应器时发现了未知氮的消失，经过反复验证，氨氮与亚硝酸盐的消失同时发生，且成一定比例，故他们认为在反应器中氨氮与亚硝酸盐发生了反应， 产物为氮气, Mulder等人将此命名为厌氧氨氧化 ( Anaerobic Ammonium Oxidation )， 即 ANAMMOX Mulder, FEMS Microbiol Ecol , 1995,,Discovery,What is ANAMMOX,Advantages,很高的总氮去除率； 二氧化碳产生量比传统硝化/反硝化工艺减少90%； 减少50%的空间需求； 动力消耗比传统硝化/反硝化工艺减少60%； 不消耗甲醇； 剩余污泥产量极少；,What is ANAMMOX,ANAMMOX, one step nitrogen removal,What is ANAMMOX,Significance,全球海洋氮循环示意图 Phyllis Lam et al, PNAS , 2009,传统的观点认为，大气中的氮气主要来源于微生物的硝化(Nitrification)和反硝化作用(Denitrification)，厌氧氨氧化菌的发现，改变人们对全球氮物质循环的传统认识。
随着厌氧氨氧化菌被人们在世界不同海洋海底沉积物中发现，海洋学家认识到反硝化细菌并不是海洋 N2产生的唯一微生物研究表明，海洋细菌的厌氧氨氧化过程占全球海洋N2产生量的 1/3-1/2What is ANAMMOX,2002年，丹麦学者Thamdrup和Dalsgaard应用N标记的硝酸盐和氨对海底沉积物进行的培养实验发现，厌氧氨氧化作用产生N2导致的海洋氮损失占全部氮损失的24%-67% Thamdrup, B. & T. Dalsgaard, AEM, 2002,2003年，两个独立的研究小组同时在Nature杂志上报道了厌氧氨氧化是海洋氮损失的主要原因:德国生物化学家Kuypers带领他的同事在世界上最大的厌氧盆地黑海海面下85-100米的无氧环境中寻找到ANAMMOX菌； Kuypers, et al.,Nature, 2003,Dalsgaard领导的另一个团队利用N稳定性同位素示踪的方法发现在哥斯达黎加的Golfo Dulce海湾厌氧水层中有19%-35%N2的生成与厌氧氨氧化过程有关； Dalsgaard, et al., Nature,2003,随后，研究人员陆续在北极圈极地海冰, Baltimore内港, Chesapeake海湾、安哥拉的Benguela海区上升流系统、加利福尼亚的温泉等等不同经度和纬度地区的水域中发现ANAMMOX菌的踪影；,Baltimore内港,北极圈极地海冰,Chesapeake海湾,Benguela,加利福尼亚,,,,,,,,Helen Pilcher, NATURE, 2005,Pump action: Marcel Kuypers (right) was the first to find ANAMMOX bacteria in the sea.,As acceptance of ANAMMOX bacteria grows, so too does their grip on the planet. The microbes are turning up everywhere — in fresh and salt water, open oceans and marine sediments, and in wastewater treatment plants all over the world. “One day you discover a bug,” says Kuenen, “then ten years later they turn out to be everywhere and important on a global scale. They may even be hiding in the sewer system under your kitchen sink.”,,,Emeritus and part-time professor of General and Applied Microbiology, Department of Biotechnology, Faculty of Applied Sciences, Delft University of Technology, The Netherlands,,,,,,,Microbiology,,,,,Contents,What is ANAMMOX,Applications,1,2,3,4,Mechanism,,,Prospects,5,Mechanism,两套比较完整的厌氧氨氧化生化机理模型,厌氧氨氧化生化机理图（1） Edward F. DeLong, Nature, 2002,亚硝酸盐被亚硝酸盐还原酶还原为羟胺(NH2OH)，联氨水解酶催化羟胺和氨缩合成联氨(N2H2)，最后，联氨在联氨氧化酶 HZO（或羟胺氧化还原酶 HAO）的催化下转化为氮气，同时释放的电子通过传递链交给亚硝酸盐还原酶。
经典模型,电子受体,,Electron micrograph showing the immunogold localization of hydrazine/hydroxylamine oxidoreductase (black dots) to the ANAMMOXosome compartment in the ANAMMOX bacterium “Candidatus Kuenenia stuttgartiensis”. Scale bar, 500 nm,Mike S. M. Jetten, Biochemi and Mole Biolo, 2009,厌氧氨氧化生化机理图（2） Kuenen, J. G. , NAT REV MICROBIOL, 2008,亚硝酸盐被亚硝酸盐还原酶（NIR）还原，得电子转化为中间体 NO，NO 进而与氨共同在联氨水解酶（HH）的作用下转化为联氨，最后联氨经联氨氧化酶（HAO）催化，转化为氮气，同时释放 4 个电子释放的电子被辅酶Q和细胞色素C还原酶综合体转化为质子动力势PMF，产生的质子H+被ATP合成酶（ATPpase）转化为能量ATP，供微生物使用。
Microbiology,,,,,Contents,What is ANAMMOX,Applications,1,2,3,4,Mechanism,,,Prospects,5,ANAMMOX 菌的种类与分布 ANAMMOX 菌的细胞结构 ANAMMOX 菌的生理特性,Microbiology,ANAMMOX 菌的种类与分布 ANAMMOX 菌的细胞结构 ANAMMOX 菌的生理特性,Microbiology,Microbiology,ANAMMOX 菌的种类与分布,ANAMMOX 菌由于至今无法通过经典的微生物生态学手段纯培养，目前所有 ANAMMOX 菌种均被定义为“暂定种” 其中有 4 个属是主要存在于污水处理厂构筑物中或实验室活性污泥反应器中：“Candidatus Kuenenia”、“Candidatus Brocadia”、“Candidatus anammoxoglobus”和“Candidatus Jettenia”第 5 个 ANAMMOX 属“Candidatus Scalindua”主要存在于自然环境中，特别是海洋底泥中和低氧区迄今为止共有 5 个属的 ANAMMOX 菌被发现，它们的 16S rRNA序列相似度在 87%-99%之间。
1999, “Candidatus Brocadia anammoxidans” 荷兰Gist-Brocades污水处理厂 2000, “Candidatus Kuenenia stuttgartiensi” 德国斯图加特的污水处理场 2002, “Candidatus Brocadia fulgida” 荷兰鹿特丹污水处理厂 2003, “Candidatus Scalindua brodae” 英国Pitsea垃圾填埋场的污水处理厂 2003, “Candidatus Scalindua wagneri” 英国Pitsea垃圾填埋场的污水处理厂 2003, “Candidatus Scalindua sorokinii” 黑海的次氧化层区域 2007, “Candidatus Jettenia asiatica” 荷兰实验室生物膜反应器 2007, “Candidatus anammoxoglobus propionicus” 实验室SBR反应器,菌种首次发现地点：,在许多不同地域(Thames Estuary、Japan、Chesapeake Bay 、Arctic marine、Washington margin、Arabian Sea et.al)的海洋沉积物中检测出了 ANAMMOX反应。
在海洋沉积物中存在的ANAMMOX菌种群较为单一，基本属于具有较强耐盐能力的 Scalindua 属胡宝兰等, 生态学报, 2011,在不同海域水体的低氧区（本格拉港、智利中部沿岸的远海区、阿拉伯海、秘鲁海）也有ANAMMOX的存在，并在氮素循环中起着不同程度的作用胡宝兰等, 生态学报, 2011,海洋生态系统:,Dale等却发现，在开普菲尔河口ANAMMOX菌的分布呈现出了种群多样性，可同时检测到Brocadia、Kueueuia、Jetteuia和Scaliudua四个属的ANAMMOX菌Dale, et al. Environ Microbiol, 2009 Amano等在淀川河口也检测出了多种ANAMMOX菌的共存，包括 Brocadia、Kueueuia和Scaliudua属原因推测是由于河口是海陆作用剧烈、生态结构复杂的区域，可营造适合不同种类 A。