厌氧氨氧化微生物研究进展

1 厌氧氨氧化菌的基本生理生化特征
1.1 厌氧氨氧化菌生理特性 厌氧氨氧化菌是一类专性厌氧的无机自养细
菌，属于革兰氏阴性光损性球状细菌，细胞单生或成 对出芽繁殖。 在电子显微镜下，一般为不规则的圆形 和椭圆形,其直径不到 1 μm 。 它属于最古老的古生 物菌或分支很深的细菌栖热孢菌属和产液菌属，在 微生物的分类系统中属于浮霉状菌目。 1．2 厌氧氨氧化菌内部结构
异养
Candidatus Scalindua brodae
Nitrosomonas europaea Nitrosomonas eutropha
注：“*” 表示在存在 O2 的情况下， 这些菌将能将氨氮和亚硝氮转为 N2，而 非 存 在 好 氧 氨 氧 化 细 菌 。
第 22 卷 第 2 期 2009 年 4 月
环境科技 Environmental Science and Technology
Vol．22 No．2 Apr．2009
厌氧氨氧化微生物研究进展
李 祥， 袁 怡， 黄 勇， 王 勇
（苏州科技学院环境工程与科学学院， 江苏 苏州 215011）
摘 要： 厌氧氨氧化技术是近年来发展起来的新型生物脱氮技术。在这一过程中主要作用细菌是厌氧氨氧化菌。目前
由于缺失某种肽链， 使得细胞壁表面存在漏斗状结 构，称为“火山口状的结构”[2]。 厌氧氨氧化菌细胞壁 组成与其他细菌也不相同， 由蛋白质和脂多糖包裹 着。 蛋白质和脂多糖一起相互作用促使凝胶体在体 外形成，因此厌氧氨氧化菌能聚集在一起生长。
在厌氧氨氧化菌细胞壁内紧靠着的地方有 2 层 膜。 通过 R Nase-gold 方法分析内部的 RNA 序列将 这个膜定义为细胞质膜。 另一个膜也因此定义为细 胞质内膜。 在这 2 层膜之间含有大量 pp 质，对其结 构和功能还不清楚。 厌氧氨氧化菌内还有最后一层 膜包裹着厌氧氨氧化体，称为厌氧氨氧化体膜。 在细 胞质内膜和厌氧氨氧化体膜之间是细胞质， 里面含 有大量颗粒。 因此这 3 层膜将厌氧氨氧化菌的细胞 质分为 3 层。至今为止，这种由细胞膜围成的分室结 构只发现于 planctomycetes(浮 霉 状 菌 目)的 细 胞 中 。 通 过 16Srna 分 析 表 明 厌 氧 氨 氧 化 细 菌 与 planctomy－cetes 同源性最近。 这些形态特征都指向 planctomy-cetes，为厌氧氨氧化菌分类地位的最终确 定提供了依据。
收 稿 日 期 ：2008-11-17 基 金 项 目 ：江 苏 省 自 然 科 学 基 金 项 目 （BK2002043），苏 州 科 技 学 院 研
究 基 金 项 目 （Z964）， 苏 州 科 技 学 院 重 点 学 科 建 设 项 目 （A0030702）. 作者简介：李 祥（1984－），男，江苏仪征人，硕士研究生，氧化菌，这对于厌氧氨氧化技术发展与推广具有重要的意义。 文章从目前厌氧氨氧化
菌研究进展的角度，综述了目前发现的厌氧氨氧化菌种类，结构和部分结构的功能。 以期待对工艺控制有所帮助。
关键词： 厌氧氨氧化； 厌氧氨氧化菌； 厌氧氨氧化体； 细菌结构功能
中图分类号: X2
文献标识码: A
细胞壁
细胞膜
PP 质 细胞质内膜
Anammox 体 Anammox 体膜 核糖质
类核
a. 为厌氧氨氧化细菌结构模型
b. 为厌氧氨氧化原理模型
图 1 为厌氧氨氧化菌细胞结构及反应原理模型
第 22 卷 第 2 期
李 祥等 厌氧氨氧化微生物研究进展
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1.3 厌氧氨氧化菌内部结构特性 厌氧氨氧化菌细胞壁中无聚肽糖而有蛋白质，
2 厌氧氨氧化菌营养及生存条件
厌氧氨氧化菌培养基的无基组成为包括原水组 成、微量元素Ⅰ和微量元素Ⅱ，pH 值为 7.5 ～ 8.5，温 度为 30 ～ 40 ℃。 在培养过程中，STROUS 等发现当 亚硝酸盐质量浓度超过 98 mg/L 时会抑制厌氧氨氧 化反应。 但是 TSUSHIMA 等[9]则报道厌氧氨氧化细 菌对 NO2-的适应质量浓度可达 710 mg/L，这可能得 益于反应器中富集得到了高浓度的厌氧氨氧化细 菌。 因此推测 NO2-的抑制浓度与生物量有关。 最近 一些学者研究盐度对于厌氧氨氧化菌的影响， 在大 量元素的配制过程中投加了 NaCl 和 KCl。 LIU S T 发现盐浓度有助于厌氧氨氧化菌活性的提高， 其通 过批示实验表明最适盐质量浓度为 10 mg/L. KARTAL[10] 采用 SBR 反应器对 淡 水 厌 氧 氨 氧 化 菌 株 进 行 了 高 盐废水的逐步驯化试验。 试验表明淡水厌氧氨氧化 菌株能逐渐适应高盐废水， 并且盐质量浓度可以达 到 30 g/L，与 WINDEY 等[11]的研究成果一样。 通过荧 光原位杂交 FISH 分析表明在适应盐的污泥和淡水 污泥中的优势菌都是 K stuttgartiensis。
文章编号: 1674－4829（2009）02－0058－04
Research Process of Anammox Bacteria LI Xiang， YUAN Yi， HUANG Yong， WANG Yong
Abstract： Anaerobic ammonium oxidation (ANAMMOX) is a novel process of nitrogen removal that has being developed for a few years. Anammox bacteria play the major role in the process of nitrogen removal. Currently, a growing number of scholars began to study the anammox bacteria, which have a great significance for the anammox technology development and extension. From the view of current ANAMMOX research, the paper introduced the anammox bacteria's type, structure and function. Key words： Anammox; Anammox bacteria; Anammoxosome; Structure and function of bacteria
厌氧氨氧化体是厌氧氨氧化菌中最为重要的细 胞器。 其膜表面具有多种参与微生物新陈代谢的酶 。 多数厌氧氨氧化体双分子层膜为曲线形态， 在厌氧 氨氧化体中呈管状突起。 其弯曲程度极不规则，部分 还有成直线形式，常常发生在细胞分裂时，厌氧氨氧 化菌某一面为曲线而另一面则为直线形态。 厌氧氨 氧化体功能到目前为止仍被假定为细胞能量的产生 体，这与真核细胞中的线粒体功能是相同的。
目前已经提出了厌氧氨氧化菌简单的结构模型 图。 如图 1 所示厌氧氨氧化细菌从外到内依次为细 胞壁(cell wall)，细胞膜(cytoplasmic membrane)，pp 质 （paryphoplasm）、 细 胞 质 内 膜 （intracytop lasmic membrande)，Anammox 体 (anammoxosome)、 核 糖 质 (riboplasm)、类核（nucleoid）、蛋白质颗粒等等。
不同厌氧氨氧化菌的脂质具有各种不同的种类 和 派 生 物[3]，如 梯 状 结 构 ，因 此 ，各 种 厌 氧 氨 氧 化 菌 有 各种独特的膜结构。 尽管这些菌在系统发育树上处 于 不 同 的 分 支 ，但 JAYNE[4]通 过 研 究 发 现 它 们 基 本 有相同类型的梯状组成， 即含有 2 个相同或不同的 环状系统， 并且脂肪酸在生物体内生物合成是不变 的。 这种环状膜脂质的结构在自然界中是比较独特 的， 而且至今为止这种环状膜脂质的结构也只在厌 氧氨氧化菌中才被发现， 因此建议将这种特征作为 厌氧氨氧化菌的所有菌种的生物标志。 它的功能意 义也引起了广泛的关注。
0 引言
当水环境中不存在分子氧的情况下, 如果同时 存在 NH4+和 NO2－， 就有可能发生厌氧氨氧化反应。 在此生化反应中， 细菌将 NH4+作为电子供体, NO2－ 作为电子受体, 产生氮气（N2）。 这一过程目前称为厌 氧氨氧化(Anammox)。 完成这一过程的细菌统称为厌 氧氨氧化细菌。 该细菌首次在荷兰代尔夫特的一个 反 硝 化 的 水 处 理 小 试 装 置 中 发 现 [1]。 随 着 厌 氧 氨 氧 化 菌在氮循环中重要作用的突显， 对于厌氧氨氧化菌 的研究也将变得越来越重要。 近年来, 国内外许多 学者致力于厌氧氨氧化菌生理生化特性的理论领域 研究及其工程应用领域研究， 并且都有了许多新的 发现。这对于全面认识厌氧氨氧化菌的性质、厌氧氨 氧化过程和开发新的废水脱氮技术都具有重要意 义。 文章追踪了国内外对厌氧氨氧化细菌特性研究 进展，以有利于厌氧氨氧化技术的开发和应用研究。
通过 TEM-EDX 分析发现厌氧氨氧化细胞内具 有大量的铁(Fe)元素颗粒，且富集在厌氧氨氧化体膜 附近，其浓度约是该膜内侧的 2 倍。通过进一步鉴定 发 现 K stuttgartiensis 的 内 部 具 有 Fe 存 储 基 因 ，2 个 基 因 为 Kuste 3640 和 kuste 4480。通 过 鉴 定 发 现 在 E coli 大 约 有 32％ ~ 48％基 因 序 列 存 在 血 红 素
Candidatus Brocadia fulgida
[9]
anaerobic ammonium-oxidizing
[14]
海水 自养
Planctomycete cquenviron-1
[15]
好氧 *
CandidatusScalindua sorokinii
[16]
Candidatus Scalindua wagneri
3 厌氧氨氧化种类比较及其内部组成特性
3.1 厌氧氨氧化菌种类 到目前为止，科学家已经从淡水、海水中找到了
4 种属的厌氧氨氧化菌。 从而也证明了厌氧氨氧化 细菌广泛存在于自然环境中。 将其按盐度可分为淡 水氨氧化菌和海水氨氧化菌。 将其按生长特性可分 为自养氨氧化菌和异氧氨氧化菌，见表 1：
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环境科技
的 Fe 蛋白，能增容和储存三价 Fe 元素。 但 Fe 蛋白 生理角色到目前还不能完全清楚[5]。 并且发现在厌氧 氨氧化菌的任何生长期都能发现铁蛋白， 这与其他 细菌是不相同的。 同时通过凝胶作用， 已成功地从 K stuttgartiensis 的细胞提取物中纯化得到 10 kD 细 胞色素 C[6]，这 进 一 步 说 明 厌 氧 氨 氧 化 体 内 Fe 元 素 的 重 要 性 。 STROUS[7]在 含 ρ[Fe2（SO4）3]为 6.25 mg/L 的无机培养基中发现厌氧氨氧化菌仅仅利用一半 Fe2 (SO4)3， 因此厌氧氨氧化菌不可能在低 Fe 环境下生 存；然而厌氧氨氧化菌的确产生大量细胞色素酶（大 于细胞总蛋白质含量 20％），因此微生物从基质中吸 取和储存过量 Fe 用于细胞色素的合成。 并且在厌氧 氨氧化细菌体中发现含有大量血红生化铁蛋白体， 是贮存铁离子的蛋白质， 能够利用和贮存无机营养 液中的铁离子。 van NIFTRIK[8]的实验中厌氧氨氧化 体的 Fe 与磷酸盐的比值是 0.83， 因此 Fe 在厌氧氨 氧化体中具有重要作用。
2009 年 4 月
表 1 厌氧氨氧化菌种类
氧需求 盐度 营养类型
厌氧氨氧化菌种类
参考文献
厌氧 淡水 自养
Candidatus Brocadia anammoxidans
[9]
Candidatus Kuenenia stuttgartiensis
[12]
异养 Candidatus anammoxglobus propionicus [13]