有机碳源对厌氧氨氧化菌的活性影响

 厌氧氨氧化菌一直被认为是严格的化能自养型xijun,有机物的添加必然对厌氧氨氧化系统带来不可忽视的影响。因此,进水中有机物对厌氧氨氧化的影响一直是研究者的热点。  

1、 有机碳源对厌氧氨氧化菌的阻止作用  随着进水中有机物浓度的上升,水中的异养反硝化菌(heterotrophic denitrification bacteria,HDB)将与厌氧氨氧化菌竞争底物,从而使厌氧氨氧化菌在高COD下难以取得竞争优势,氨氮去除率下降。N. Chamchoi等研究发现,当进水COD>300 mg/L时,厌氧氨氧化菌活性受到明显阻止。W等通过研究发现,当进水COD从480 mg/L提升至720 mg/L时,比厌氧氨氧化活性(specific anammox activity,SAA)从0.39 kgNH4+-N/(kgVSS·d)下降至0.19 kgNH4+-N/(kgVSS·d);同时在厌氧氨氧化系统中,随着COD的上升,系统中的优势菌群从厌氧氨氧化菌向反硝化xijun转变,厌氧氨氧化菌的主要种群也发生了改变。D等通过高通量测序证明了厌氧氨氧化菌的主要种群从“Ca. Brocadia sinica”变为了“Ca. Jettenia caeni”和“Ca. Kuenenia stuttgartiensis(K. stuttgartiensis)”。这与L. Russ等发现的“K. stuttgartiensis”能够耐受较高的有机物浓度的结果相吻合。  

2、有机碳源对厌氧氨氧化菌的刺激作用  厌氧氨氧化菌在有机物添加后仍能占主导地位,并能通过新陈代谢作用与异养反硝化菌共同去除有机物和硝酸盐。这一般发生在进水C/N较低的厌氧氨氧化系统中。在早期的研究中研究者发现,厌氧氨氧化菌能通过氧化小分子有机酸为CO2后,再利用CO2合成细胞自身营养物质的方式代谢部分有机碳。W等研究发现,当COD≤480 mg/L时,厌氧氨氧化系统的脱氮效率基本不受影响,厌氧氨氧化菌的活性反而有所上升。研究发现,经过一段时间的适应期(50 d)后,丙酸盐对厌氧氨氧化反应系统的性能有一定的提升作用,在反应系统中丙酸盐被氧化为CO2。张少辉向厌氧氨氧化稳定运行的上流式厌氧生物膜反应器的进水中投加1.16 mmol/L的乙酸盐,并进行了长周期运行,发现在经过一段时间的驯化后总氮去除效率反而上升;在相同的进水负荷下,氮去除率从投加前的75%上升至81%。刘金苓等投加葡萄糖的批次试验也获得了与之相似的实验结果。Xiaoli Huang等研究认为,在较低有机物浓度(乙酸盐≤120 mg/L, 丙酸盐≤200 mg/L)的环境下,厌氧氨氧化反应系统不会受到较大的影响,并能保持良好的脱氮性能。  

3 、不同有机碳源对厌氧氨氧化系统效能的影响  不同的有机碳源对厌氧氨氧化系统的影响往往是不同的。作为常见的营养物质,低浓度的糖类会对厌氧氨氧化有一定的刺激作用。一定情况下葡萄糖可以作为厌氧氨氧化反应的惟一碳源。但糖的组成越复杂,厌氧氨氧化菌的利用效率就越低。以甲酸盐、乙酸盐、柠檬酸盐为的小分子有机酸盐可以被厌氧氨氧化菌作为电子供体还原NO3-,其中以乙酸盐为电子供体时反应速率很高。而实际的长期实验表明,厌氧氨氧化系统往往对丙酸盐的适应性比较强。但上述物质的浓度超过一定限值时,厌氧氨氧化菌的活性会受到阻止。研究发现,厌氧氨氧化系统中加入苯酚等物质时,厌氧氨氧化菌的活性会受到强烈阻止。杨朋兵等的研究表明,当苯酚质量浓度>300 mg/L时,氮去除率可从99%下降至55%。醇类一般被认为对厌氧氨氧化具有强烈的阻止作用,厌氧氨氧化体内的羟氨氧化还原酶(hydroxylami-neoxidoreductase,HAO)会将醇类转化为对菌体有毒性的有机物质,例如甲醛。甲醛可以通过部分蛋白的结合使关键酶失活,从而使细胞死亡。醇类特别是甲醇,在较低浓度时就会不可逆地阻止厌氧氨氧化反应,在D等的研究中,当甲醇浓度达到0.5 mmol/L时,厌氧氨氧化反应活性不可逆地降低了约30%。  

总的来说,有机物的添加视情况不同会对厌氧氨氧化系统带来如下影响:  

(1)刺激作用。低浓度及结构较为简单的有机物,比如糖类和小分子有机酸的添加可刺激某些AAOB菌种的有机物代谢特性,从而增强厌氧氨氧化菌的活性,降低出水NO3--N浓度,提高氮去除效率。  

(2)竞争阻止作用。随着有机物添加浓度的升高,与厌氧氨氧化菌竞争反应基质的反硝化菌就会大量繁殖,与厌氧氨氧化菌竞争NO2-,从而阻止厌氧氨氧化菌的活性;通过降低有机物浓度,此类阻止作用一般可以恢复。  

(3)有机毒性阻止。以醇类为的物质进入厌氧氨氧化系统,在HAO酶的作用下会造成甲醛积累,从而破坏菌体的活性,从根本上阻止了厌氧氨氧化去除氮的效率,阻止作用强且不可恢复。

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