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        單菌株(SND5)生物脫氮除磷:新加坡的新嘗試

        發布日期:2021-10-22 來源: IWA國際水協會
          2020年10月,IWA學術期刊《Water Research》上發表了新加坡國立大學的研究,他們發現了一種Thauera sp.的新型菌株,并將其命名為SND5。該菌株可以同時去除污水中的氮和磷,與傳統污水處理方法相比,大大減少了工藝占地面積,降低了運營成本和溫室氣體排放。在今年的IWA網絡版世界水大會上,王慶坤博士作為代表更詳細地分享了他們團隊的最新研究進展。
          
          圖. 何建中副教授 (左) 和王慶坤(右)的合照 | 圖源:新加坡國立大學
          同時脫氮除磷的細菌?
          大家都知道,傳統的脫氮工藝通常需要有獨立的缺氧區和好氧區,而且要對兩個區的pH進行調節,一般要對好氧區投加NaOH補充堿度,而要對缺氧區投加HCl降低堿度。
          
          過去工程界的主流觀點認為硝化和反硝化是有兩類菌群來完成的。但過去十年已經有若干研究顯示,有一些細菌可以同時完成硝化和反硝化反應。這類細菌被統稱為SND菌(Simultaneous Nitrification and Denitrification Bacteria)。目前有報道的SND菌包括:
          
          除了脫氮,除磷工作也是污水處理的重要部分。生物除磷主要依靠聚磷菌(PAOs)來完成。
          
          PAOs菌和反硝化菌兩者之間會存在競爭關系,因為它們都在厭氧/缺氧區中,而它們都需要碳源維持自己的代謝繁殖。
          
          而另一方面,微生物界又存在著可以進行反硝化反應的聚磷菌,例如Candidatus Accumulibacter phosphatis,因為對這些聚磷菌而言,硝酸鹽或者亞硝酸鹽也是他們可以利用的電子受體。
          
          某天,研究團隊在新加坡Ulu Pandan再生水廠進行常規檢測時注意到好氧池發生了脫氮反應。而且在沒有除磷菌的情況下,除磷率也比期望值高。他們因此提出了一個非常大膽的假設:這里邊是不是有到一種細菌,它能同時完成硝化-反硝化,并且用亞硝酸鹽/硝酸鹽作為電子受體來吸收磷。
          于是他們取污水廠的污泥放入含有硝酸鹽和乳酸(碳源)的反硝化溶液里,然后取部分培養物轉移到裝有瓊脂的瓶中,繼續用反硝化液來培養(還額外添加NaHPO4)。經過48小時、30℃的培養,他們看到瓊脂培養基上長出了一些粘稠乳狀、直徑在2-5mm的淺黃色斑點。
          研究團隊取部分斑點進行基因測序,結果顯示,16S rRNA的基因與 Thauera 屬最為相似,而且與 Thauera sp. 的序列相似性最高 (99%)?;谏鲜鼋Y果,他們將該菌株確認為Thauera屬的新成員,并取名為SND5。
          
          他們發現這個SND5菌可以利用各種碳源,包括乙酸、乳酸和琥珀酸等,而且在碳氮比低于5的情況下,SND5菌依然正常工作。如果只含硝酸鹽的溶液進行反硝化反應時,沒有觀察到亞硝態氮的積累,它能將各種形態的氮轉化成氮氣。他們還發現,在SND5進行的異養氨氧化反應里,沒有看到亞硝態氮/硝態氮的積累。
          傳統的氨氧化路徑是這樣的:
          
          在這過程會涉及到多種特征酶,包括氨單加氧酶(AMO)和羥胺脫氫酶(HAO)等,但他們也沒有在SND5的基因組里檢測到這些酶的基因,例如amoA基因、amoB基因和HAO基因等。
          SND5的氨氧化路徑是否有別于傳統過程呢?他們將這個問題轉化成SND5的氨氧化是否用到羥胺 (NH2OH)這個中間物。為了驗證這個問題,他們在一個封閉系統里,用羥胺作為唯一的氮源來進行測試(加入純氧)。
          結果顯示,封閉系統的羥胺和乳酸都有所減少,說明SND5可以將羥胺作為單一氮源。然而,在氨氧化的過程中,他們卻沒有檢測到羥胺,而且氨氮的去除率和開放系統相當,同時也沒有檢測到一氧化二氮(N2O)。
          他們用Bruce Rittmann教授和Perry McCarty教授在2012年曾借助熱力學反應式指出:從氨氧化到氮氣之間轉化,理論上是可以只用氧氣作為電子受體,不需要N2O作為中間產物。所以王博士認為,SND5的氨氧化路徑可能是這樣的:
          NH4+ → NH2OH → N2
          基于以上發現,王博士指出,相比傳統硝化/反硝化方法,用SND5來脫氮的一大優勢就是可以減少N2O的產生,從而減少溫室氣體的排放。
          
          另外有趣的是,他們的實驗結果還顯示,SND5還可以作為反硝化聚磷菌(DPAOs)來去除污水中的磷,電子受體可以是氧氣,也可以是硝酸鹽或者亞硝酸鹽.
          王博士還提到,其實SND5并不罕見,他們的豐度數據顯示,在世界各地的污水廠都能會找到SND5的身影,說明其實SND5早就存在,只是我們現在才真正發現了它。
          
          SND5和Anammox強強聯合?
          研究團隊也嘗試回答一個更重要的問題:城市污水的處理能用到SND5嗎?他們在新加坡的一個IVP污水測試廠對三種不同進料模式分別進行了測試。
          
          結果顯示,SND在脫氮過程中扮演著重要角色,在其中兩種進料模式下的貢獻率達41.8%和30.6%。
          
          在報告最后,王博士還提出了一個有趣的假設:是否可以將SND5和厭氧氨氧化菌(anammox)一同用于到主流污水處理線中?下圖是他的設想:缺氧區用anammox脫氮,在好氧區用SND來脫氮除磷。
         
          Anammox和SND5聯合打造新的主流生物脫氮除磷工藝?
          新加坡團隊的發現再一次顛覆了我們對生物脫氮除磷的認識,也為日后更多的工藝創新提供理論基礎。那么用SND+anammox的單個菌種來處理市政污水的設想是否行得通呢?我們期待他們日后更多的研究來揭曉。
          對他們的研究感興趣的讀者,可以回看王博士報告的完整視頻:
          參考資料
          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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