硫酸鹽還原厭氧氨氧化機理及其微生物研究進展

羅安騰，吳莉娜，和書航，余 珂

（1. 北京建筑大學 環境與能源工程學院，北京 100044；2. 北京建筑大學 城市雨水與水環境教育部重點實驗室，北京 100044；3. 北京大學 深圳研究生院 環境與能源學院，廣東 深圳 518055）

石油、化工等行業排放的廢水中往往同時含有高濃度的氨氮和硫酸鹽，這類廢水如果不經有效處理直接排放，其中的氨氮將會導致水中溶解氧含量降低、水體富營養化［1-2］，硫酸鹽則會腐蝕管道、污染大氣、酸化水體和破壞土壤結構［3］，給生態環境造成嚴重危害［4-5］。目前，針對此類廢水的處理，常采用分段生化的方法，即先去除硫酸鹽再進行脫氮處理，但這種處理方法存在工藝復雜、運行不穩定、占地面積大、成本高等缺陷。硫酸鹽還原厭氧氨氧化（SRAO）工藝是近年來發展起來的一種新型廢水處理技術，它以硫酸鹽作為電子受體，將氨氮轉化為氮氣，既實現了硫酸鹽和氨氮的同步去除，又不消耗外加有機碳源和能源，解決了厭氧氨氧化（Anammox）工藝中亞硝氮累積的問題，提高了工藝的可控性，降低了脫氮除硫的處理成本，具有廣闊的應用前景［6-8］。

本研究分別從SRAO的反應機理、功能微生物以及功能微生物與其他微生物之間的相互作用等方面進行了綜述，分析了SRAO在實際應用中的關鍵步驟，指出了SRAO目前所面臨的主要問題，展望了SRAO今后的發展方向，以期為SRAO工藝的改進和工業應用提供理論支持。

1 SRAO的反應機理

2001年，FDZ-POLANCO等［9］采用顆粒活性炭厭氧流化床反應器（AFB）處理糖蜜酒精廢水時發現，進入反應器中50%的氨氮通過未知厭氧過程轉化為氮氣，同時反應器中80%的硫酸鹽被去除，據此提出反應器內存在一種利用硫酸鹽作為電子受體將氨氮氧化為氮氣的生物過程：首先，氨氮與硫酸鹽反應生成S2-和亞硝氮；接著，S2-與部分亞硝氮發生硫自養反硝化作用，產生單質硫（S）和氮氣；最后，剩余的亞硝氮與氨氮進行厭氧氨氧化反應（見式（1）～（4））。

至此，SRAO反應被首次發現。

2008年，LIU等［10］以硫酸鹽為底物，接種Anammox污泥，在無機碳源條件下啟動無紡布旋轉生物接觸反應器（Non-woven rotating biological contactor reactor，NRBCR）進行SRAO實驗，發現在沒有有機物的情況下，NRBCR連續運行80 d后產生了亞硝氮、S和氮氣，據此認為氨氮可能首先與硫酸鹽發生反應生成亞硝氮和S，然后生成的亞硝氮與氨氮發生Anammox反應（見式（5）～（7））。與FDZ-POLANCO等［9］提出的SRAO反應相比，不同之處僅在于反應過程中不產生S2-。

2009年，YANG等［11］在顆粒活性炭上流式厭氧污泥床（UASB）中接種硝化污泥，運行120 d后，成功啟動了SRAO反應。由于氨和甲烷的化學結構類似，YANG等認為SRAO反應可能與硫酸鹽厭氧氧化甲烷的過程相似（見式（8）～（9）），據此推導出SRAO反應中生成亞硝氮和S2-的可能半反應方程式，即式（10）～（11）。

關于SRAO反應機理的概念模型主要有3種（見圖1）。一種認為：硫酸鹽被還原為S2-，氨氮被部分氧化為亞硝氮，之后S2-與亞硝氮反應生成S和氮氣，同時亞硝氮與剩余氨氮反應生成氮氣，具體見圖1a；另一種認為：硫酸鹽被還原為S，氨氮被部分氧化為亞硝氮，之后亞硝氮與剩余氨氮反應生成氮氣，具體見圖1b；第三種觀點認為：硫酸鹽作為電子受體直接將氨氮氧化為氮氣，硫酸鹽被還原為S，具體見圖1c。

圖1 SRAO的反應機理

綜上，目前關于SRAO反應的總方程式均相同，但其內在反應機理卻存在爭議。一種爭議是關于反應中間體的：有觀點認為，硫酸鹽首先被還原成硫化物中間體，之后與氨氮氧化所產生的亞硝氮反應生成S（圖1a）［9，12］；也有觀點認為，在反應過程中，硫酸鹽直接被還原為S（圖1b、1c）［10-13］。另一個爭議涉及反應過程中氮氣的生成機制：有觀點認為，在SRAO反應中，氮氣是通過底物氨氮與其氧化產生的亞硝氮發生反應生成的（圖1a、1b）［9-10］；也有觀點認為，氮氣是硫酸鹽作為電子受體直接將氨氮氧化生成的（圖1c）［13-14］。以上爭議可能會影響我們對SRAO反應的理解和應用，但不可否認的是，SRAO反應為同時脫氮除硫提供了技術上的可能性［15］，可以通過更加精細的實驗和計算方法對SRAO的反應機理進行深入研究。

2 SRAO功能微生物及其在體系中的種間互作

2.1 SRAO功能微生物

在厭氧環境下，介導SRAO反應的微生物群落為N、S循環建立了重要聯系，而且氨氮和硫酸鹽的去除效果也有賴于微生物的活性，因此，研究SRAO功能微生物的群落結構和代謝途徑對SRAO工藝至關重要［16］。與Anammox功能微生物相比，SRAO功能微生物在反應底物、產物、電子受體和能源產生機制等方面明顯不同。在反應底物和產物方面，Anammox功能微生物直接對底物氨氮進行氧化生成亞硝氮，而SRAO功能微生物則能夠利用硫酸鹽底物既進行氨氮氧化，又同時進行硫酸鹽還原，產生硫化物和亞硝酸鹽［17-18］。在電子受體方面，Anammox功能微生物將氨氮氧化為亞硝氮時傳遞電子，而SRAO功能微生物主要是將硫酸鹽還原為硫化物時傳遞電子。在能源產生機制方面，Anammox功能微生物主要通過氨氮氧化過程產生能量，而SRAO功能微生物主要通過硫酸鹽還原過程產生能量［19-20］。

LIU等［10］通過批量實驗證明Anammox功能微生物具有很大的SRAO潛力，并通過變性梯度凝膠電泳分析發現了一種名為“Anammoxoglobus sulfate”的浮霉菌（planctomycetales）在氨氮氧化和硫酸鹽還原過程中發揮了關鍵作用。蔡靖等［21］從長期穩定運行的厭氧脫氮除硫反應器污泥中分離獲得了一株SRAO功能菌，通過形態觀察、生理試驗和16S rDNA序列比對，發現該菌株屬于食苯芽孢桿菌（Bacillus benzoevorans），該菌能夠利用多種碳源，基質多樣性明顯。劉正川等［22］在UASB反應器內研究了由Anammox轉變為SRAO的過程及其微生物群落的變化情況，結果發現：經過177 d后，反應器中的優勢菌群由Anammox功能菌屬“Candidatus brocadia”轉變為食苯芽孢桿菌，證明了SRAO的優勢菌種與Anammox不同。RIKMANN等［23］分別在移動床生物膜反應器（MBBR）和UASB中建立了SRAO反應，從MBBR中檢測到浮霉菌，而從UASB中檢測到疣微菌（Verrucomicrobia），表明除浮霉菌外，疣微菌也參與了SRAO反應。MADANI等［24］采用厭氧馴化工藝，從工業廢水中分離出一株SRAO功能菌，經16S rRNA測序鑒定，該菌株為蠟樣芽孢桿菌（Bacillus cereus） FDAARGOS-798，經過14 d的混合營養培養，該菌對氨氮和硫酸鹽的最大去除率分別為67%和80%。ZHANG等［25］通過構建循環流厭氧生物反應器（Circulating flow anaerobic bioreactor，CFAB）實現SRAO反應，連續運行187 d后，發現反應器內微生物群落變化明顯，且SRAO的轉化主要是由變形菌（Proteobacteria）引起的。

綜上，微生物在SRAO反應中發揮了重要作用。隨著研究的不斷深入，越來越多的SRAO功能微生物群落被識別，但總體上講，關于功能微生物介導SRAO反應代謝機理的研究還比較少，未來應繼續結合基因組學、代謝組學、轉錄組學等手段，從代謝機理的角度出發，闡釋功能微生物在SRAO反應中的作用。

2.2 微生物的種間互作

SRAO反應的最終產物和中間產物的多樣性為其他微生物提供了理想的底物，有利于廢水處理相關的其他功能微生物，如Anammox功能微生物和自養反硝化功能微生物的生長繁殖，故SRAO功能微生物與其他微生物的相互作用也是研究熱點之一。研究證實，SRAO功能微生物與其他微生物之間的相互作用模型主要有4種（見圖2）［16］。模型一是僅在SRAO功能微生物的作用下，氨氮和硫酸鹽發生氧化還原耦合反應。如圖2a所示：SRAO功能微生物將氨氮氧化為亞硝氮、硝氮和氮氣，同時將硫酸鹽還原為硫化物和S。RIOS-DEL TORO等［26］采用15N同位素示蹤分析了海洋沉積物，發現除存在反硝化、Anammox耦合亞硝酸鹽還原外，Anammox耦合硫酸鹽還原反應同樣存在。硫酸鹽是海洋中最豐富的電子受體，在海洋沉積物中普遍存在，表明SRAO功能微生物可能在海洋環境中普遍存在。RIKMANN等［23］通過接種厭氧污泥，成功啟動UASB實現脫氮除硫，發現在厭氧污泥中，同樣存在SRAO反應。由此可見，無論是在自然環境中，還是在廢水處理實際中，SRAO反應均普遍存在。

圖2 SRAO功能微生物與其他微生物的相互作用模型

模型二是在SRAO和Anammox功能微生物的共同作用下，氨氮和硫酸鹽發生氧化還原耦合反應。如圖2b所示：首先，SRAO功能微生物利用硫酸鹽將氨氮轉化為亞硝氮、硝氮和氮氣；然后，產生的亞硝氮在Anammox功能微生物的作用下與氨氮發生Anammox反應。WU等［27］采用UASB-A/O反應器-Anammox反應器-序批式反應器（SBR）耦合工藝對垃圾滲濾液進行處理，結果表明：SRAO和Anammox能夠協同去除垃圾滲濾液中的氨氮，其中SRAO對氨氮的去除率為44.20%，Anammox對氨氮的去除率為35.46%；SO42-的去除率為52.8%；反應體系中含有多種SRAO功能微生物，其相對豐度是Anammox功能微生物的10～20倍。QIN等［28］在UASB中接種Anammox污泥成功啟動了SRAO反應，在371 d的運行過程中，發現氨氮去除途徑由初始的Anammox主導逐漸轉變為SRAO主導，此外，在污泥中同時檢測到SRAO功能微生物和Anammox功能微生物的存在，表明SRAO功能微生物和Anammox功能微生物共存于反應體系中并協同去除硫酸鹽和氨氮。

模型三是在SRAO功能微生物和自養反硝化功能微生物的共同作用下，氨氮和硫酸鹽發生氧化還原耦合反應。如圖2c所示：首先，在SRAO功能微生物作用下，硫酸鹽和氨氮發生反應，硫酸鹽轉化為硫化物和S，氨氮轉化為亞硝氮和硝氮；然后，在自養反硝化功能微生物的作用下，硝氮被還原為亞硝氮和氮氣，部分亞硝氮被還原為氮氣，硫化物和S被氧化為硫酸鹽繼續參與體系內部的N、S循環。RIKMANN等［13］在MBBR中成功啟動了SRAO反應，發現由于反應體系中存在硫自養反硝化功能微生物，因此S或硫化物可以很容易地被氧化成硫酸鹽，導致部分硫酸鹽被恢復，并改變了出水氨氮和硫酸鹽的最終平衡，表明自養反硝化功能微生物參與了體系內的N、S轉化。WANG等［29］在膨脹顆粒污泥床（EGSB）中成功啟動了SRAO反應，發現反應體系中除SRAO功能微生物外，自養反硝化功能微生物如假單胞菌（Pseudomonas）和產堿桿菌（Alcaligenes）也參與了脫氮除硫反應，可見SRAO功能微生物和自養反硝化功能微生物可以共存并協同去除硫酸鹽和氨氮。

模型四是在SRAO、Anammox和自養反硝化功能微生物的共同作用下，厭氧復合系統中的氨氮和硫酸鹽發生氧化還原耦合反應。如圖2d所示：首先，在SRAO功能微生物的作用下，硫酸鹽和氨氮發生反應，硫酸鹽轉化為硫化物和S，氨氮轉化為亞硝氮和硝氮；其次，在Anammox功能微生物作用下，產生的亞硝氮和氨氮發生Anammox反應生成硝氮和氮氣；最后，在自養反硝化功能微生物作用下，硝氮被還原為亞硝氮和氮氣，部分亞硝氮被還原為氮氣，硫化物和S被氧化為硫酸鹽，繼續參與反應，從而達到體系內N、S轉化的平衡。ZHANG等［30］采用CFAB通過SRAO反應同時去除氨氮和硫酸鹽，發現反應器內同時存在SRAO、Anammox和反硝化功能微生物，由于反應器內同時存在硝氮和亞硝氮，導致發生了自養反硝化反應，表明除SRAO功能微生物外，Anammox功能微生物和自養反硝化功能微生物也參與了體系內的N、S轉化。PRACHAKITTIKUL等［31］采用SBR，通過接種廢水好氧硝化池中的活性污泥，經過長期運行成功啟動了SRAO反應，通過16S rRNA 分析，檢測到SRAO、Anammox和自養反硝化功能微生物，再次表明SRAO、Anammox和自養反硝化功能微生物可以共存并協同去除硫酸鹽和氨氮。

綜上，與傳統的Anammox工藝相比，目前對于SRAO工藝的微生物群落特征、代謝途徑以及功能微生物的了解都十分有限，還需要在微生物層面進一步提高對SRAO功能菌群的認識。在SRAO功能微生物與其他微生物的相互作用方面，目前已經開展了生物組學研究。今后還應結合宏基因組學、代謝網絡重建和宏轉錄組學等生物信息分析方法，進一步解析SRAO功能微生物的代謝活動及其與其他微生物之間的潛在相互作用，不斷完善SRAO反應體系中N、S的代謝機制。

3 結語

SRAO工藝作為一種綠色節能的新型生物脫氮除硫工藝，近年來受到廣泛關注。與Anammox工藝相比，SRAO工藝可以同步實現廢水的脫氮除硫，更加經濟環保。介導SRAO反應的微生物群落在N、S循環之間建立了重要聯系，其反應產物的多樣性促進了SRAO功能微生物與Anammox功能微生物和自養反硝化功能微生物之間的相互作用，詳細研究這些功能微生物間的相互作用有利于進一步了解反應體系中N、S循環之間的聯系，從而提升SRAO工藝的脫氮除硫效率。目前SRAO工藝中仍存在以下問題：

a）SRAO反應機理尚不明確，還需要深入探討，為其工程應用提供理論支持。

b）目前，對SRAO體系中微生物的群落結構、功能微生物和微生物代謝途徑以及微生物在廢水處理中的效能等了解還十分有限，需要深入研究。

針對上述SRAO工藝存在的問題，未來可以運用生物信息學（如16S rRNA分析、宏基因組學分析）和分子生物學等方法對SRAO功能微生物的純培養、群落互作和群體感應（信號機制）等進行研究，深入探究SRAO體系中功能微生物之間的相互作用、不同環境因素影響下的菌落特征和功能菌的動態特性等；通過微分干涉對比顯微鏡和拉曼光譜等方法揭示SRAO體系內的N、S循環途徑，解析SRAO體系的內部機制，為SRAO工藝的實際應用提供理論支持。