中国厌氧氨氧化废水处理发展展望及资助现状

¼¼¼环境科学与生态技术13（2023）100221讨论已走与未走的路：中国厌氧氨氧化废水处理的发展趋势沈彦文上海交通大学环境科学与工程学院，上海，200240厌氧氨氧化（anammox）是一种由一群化学嗜盐菌介导的氮转化过程，它们利用亚硝酸盐（NO-2）作为选择性受体，在厌氧氨氧化过程中氧化铵（NH+4）。以来最高频率，与“PN/A“（共现21）、“过程控制”（20）、“三级BNR”（14）、“PdN/A，部分硝化-厌氧氨氧化“（12）、“硝化“（12）和“硫和氮去除”（10）配对。耦合过程的领域广泛其在20世纪90年代的发现，厌氧氨氧化举世瞩目据估计，由于NO-2必须首先由氨提供-关于厌氧氨氧化微生物的研究兴趣，它在土壤地球化学氮循环中的作用，以及它在废水处理中的实际应用（表S1）。在过去的二十年里，厌氧氨氧化的研究在中国蓬勃发展（图。 S1），并且已经取得了很大进展，包括（1）开发高速和集成的厌氧氨氧化系统来处理高浓度废水和/或主流污水，以实现有效的脱氮，同时允许过程稳定性和可转移性[1e 5]，（2）阐明厌氧氨氧化抑制机制[6，7]，以及（3）了解厌氧氨氧化联合体的行为[8e 10]。国家自然科学基金委员会（NSFC）是促进该研究领域的最高认可的资助机构。本文通过对国家自然科学基金资助项目的介绍，总结了我国厌氧氨氧化研究的进展，并展望了今后厌氧氨氧化研究的新方向。1. 厌氧氨氧化技术在中国污水处理中的资助现状截至2022年5月，国家自然科学基金委在污水处理领域授予厌氧氨氧化工艺相关奖项100余这些赠款主要授予工程&材料科学系（赠款数量90），其次是化学科学系（22），生命科学系（8）和地球科学系（3）。在识别的183个关键词中（表S2），前十个关键词是“ 耦 合 过程 “ （ 频 率 4 2 ） 、 “ P N / A ， 部 分 亚 硝 化 - 厌 氧 氨 氧 化“ （ 1 8 ） 、 “ 过 程 控 制 “ （ 1 5 ） 、 ” 微 生 物 “ （ 1 6 ） 、 ” 微 生物 “ （ 1 7 ） 、 ” 微 生 物 “ （ 1 8 ） 、 “ 微 生 物 ” （ 1 9 ） 、 “ 微生生态学“（十三）、“tertiary BNR对关键词共现的检查（图1）表明，电子邮件地址：yanwenshen@sjtu.edu.cn。氧化细菌（PN/A）或硝化细菌（PdN/A），随后被厌氧氨氧化细菌转化为二氮（N2）。其他共现的关键词与耦合过程有关（例如，厌氧甲烷氧化（DAMO）、异化硝酸盐还原为铵（DNRA）、厌氧氨氧化与Fe（III）还原偶联（Feammox））、微生物生态学（例如，厌氧氨氧化热点，协同作用），氮物质（例如，NO，N2O，亚硝酸盐，硝酸盐，羟胺），抑制（例如，抗生素、氧、纳米金属），厌氧氨氧化细菌的生理学（例如，脱氨酶体，细胞色素C，HZO酶），碳代谢（例如，混合营养，内源碳），电子受体和供体（例如，铁、锰、硫、硫酸盐），电厌氧氨氧化（例如，生物电化学系统（BES），电极），过程强化（例如，生物膜载体，颗粒），细菌群体感应（例如，信号分子），分析方法（例如，稳定同位素探测，拉曼光谱，10x基因组学），温室气体排放控制（例如，N2 O排放）、生物反应器设计（例如，EGSB、MBR）和废水类型（例如，主流污水、含盐废水、渗滤液、焦化废水）。2. 大多数人和隐藏的宝石绝大多数国家自然科学基金资助的资金用于全面了解厌氧氨氧化菌群对环境刺激的代谢相互作用，以便实现有效的脱氮。这些研究项目几乎完全依赖于自上而下的方法，通过操纵生态系统过程来获得所需的功能。自上而下的框架遵循以下步骤：（1）生态系统设计（例如，PN/A、PdN/A、SADN-anammox、DAMO-anammox），（2）工艺评价（例如，环境参数调节），（3）微生物组表征（例如，表现最好的聚生体的16S rRNA基因测序），以及（4）微生物相互作用的社区水平调查。这个框架已经成为元组学时代的一个范例。另外，自下而上的方法针对分子-https://doi.org/10.1016/j.ese.2022.1002212666-4984/©2022作者。出版社：Elsevier B.V.代表中国环境科学学会、哈尔滨工业大学、中国环境科学研究院这是一篇基于CC BY-NC-ND许可证的开放获取文章（http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0/）。可在ScienceDirect上获得目录列表环境科学与生态技术期刊主页：www.journals.elsevier.com/environmental-science-and-www.example.comY. 沈环境科学与生态技术13（2023）1002212Fig. 1. 关键词2000 - 2021年厌氧氨氧化污水处理国家自然科学基金资助项目共现（数据来源：https://kd.nsfc.gov.cn/）。缩略语：PN/ A，部分亚硝化-厌氧氨氧化; PD/A，部分亚硝化-厌氧氨氧化; NOB，亚硝酸盐氧化细菌; MEC，微生物电解池; GHG，温室气体;DNRA，异化硝酸盐还原为铵; DAMO，净化厌氧甲烷氧化; BES，生物电化学系统;AHL，酰基高丝氨酸内酯; ZVI，零价铁; BNR，生物脱氮; SAD，硫驱动的自养硝化。基础物种的尺度代谢在这里，工作流程从anammox物种的生理特征开始，然后是基因组规模的代谢建模。与模式生物不同，厌氧氨氧化细菌不能用常规技术如菌落挑取培养它们必须分别在序批式反应器或膜生物反应器中作为颗粒生物质或增殖细胞培养和富集过程是耗时的，需要数月至数年才能获得高质量厌氧氨氧化分离物。近年来，高度富集（> 95%）的培养物、快速生长（倍增时间为2 - 4天）和细胞外电子转移依赖的NH +4氧化已被广泛应用。据 报 道 ， 对 于 遗 传 学 上 远 的 厌 氧 氨 氧 化 物 种 ， 例 如SpandatusKuenenia stuttgartiensis （ 淡 水 ） 、 Brocadia sinica（淡水）和Scalindua sp.（海洋/盐水）[12，13]。这些特点可以激励研究人员以能源利用的方式设计和实施基于厌氧氨氧化的技术。然而，这些特征的发现是基于对anammox细菌的生理学，基因组学和自组装行为的详细了解，这些信息在自下而上的方法工作流程中至关重要。厌氧氨氧化细菌的其他代谢功能仍然是未知的，这构成了一个技术挑战，但具有科学意义。例如，厌氧氨氧化细菌是已知的唯一能够自然产生肼（N2H4）作为代谢中间体的生物体，肼是一种最终用作火箭燃料的强大还原剂。未来的努力需要开发用于体外通过无细胞肼合酶将NH4转化为水来生物合成肼形成厌氧氨氧化物纳米区室是另一种特性，其可以潜在地用于将厌氧氨氧化细菌转化为生物制造平台，用于容易地合成银或金纳米颗粒[14]。上述几个方面可能构成厌氧氨氧化研究的下一个前沿。国家自然科学基金资助了一些研究经费，以探索厌氧氨氧化细菌在废水处理之外的多功能性。3. 未来前景扩增子测序方法中的多重策略使得能够进行快速和高通量的微生物群落分析。该技术为研究厌氧氨氧化在废水处理中的代谢相互作用奠定了基础此外，各种耦合过程可以用于处理不同的废水，从而增加了复杂性。采用自上而下策略的研究已经产生了大量的出版物（图S1），而自下而上的方法是中国anam- mox研究较少走的路。30多年前，一个荷兰的研究小组开始了厌氧氨氧化研究，重点是厌氧氨氧化细菌的富集。他们随后启动了适用的PN/A程序（例如，SHARON）用于废水处理，并将其研究扩展到厌氧氨氧化生理学、细胞生物学和生物化学（表S1和S3）。今天，考虑到中国的积极参与，需要将自上而下和自下而上的方法相结合，以进一步促进anam-mox研究。首先，应开发厌氧氨氧化物特异性数据库，以积累、存档和更新有关耦合过程中厌氧氨氧化物细菌和其他共存微生物的信息。这样的数据库应该包括基因组、表达谱、蛋白质序列、代谢物和途径反应，类似于其他综合数据库，如MiDAS [15]。其次，随着厌氧氨氧化细菌测序的进展，应该为选定的生物体重建基因组规模的代谢网络（例如，Kuenenia stuttgartiensis）。这些网络可以转换成数学模型来预测生理特性。此外，整合用于anammox聚生体（例如，氨氧化细菌、亚硝酸盐氧化细菌、异养细菌、Comammox生物）在废水中合作或竞争，可用于预测各种环境条件下的微生物相互作用，以进行工艺优化。关于现实世界的应用，实施全面的厌氧氨氧化工艺，特别是主流污水处理，在中国仍然是一个很大的挑战 全球努力致力于将全规模侧流厌氧氨氧化技术扩展到主流应用[16]。最近在位于中国温带的一个全规模污水处理厂中报道了具有增强脱氨能力的厌氧氨氧化细菌的自发生长[17]。厌氧氨氧化的主流富集表明了其未来的前景，但长期的工艺稳定性和可转移性需要热力学、生理学、微生物生态学和工程原理的有效衔接。整合自上而下和自下而上的方法将有助于产生功能性厌氧氨氧化联合体，以改善氮的去除。通过这种方式，厌氧氨氧化生物技术被视为水行业迈向碳中和的创新驱动力。竞争利益作者声明，他们没有已知的竞争对手。Y. 沈环境科学与生态技术13（2023）1002213经济利益或个人关系，可能会出现在这篇论文中报告的工作。致谢本研究得到了国家自然科学基金（21908144）和上海市自然科学基金（21ZR 1432300）的资助。作者要感谢刘静博士（华东政法大学）对共现情节的帮助作者也感谢博士。余涛、何川、陈卓（《环境科学与生态技术》编辑部）对本文提出了宝贵意见。&附录A. 补充数据本文的补充数据可以在https://doi.org/10.1016/j.ese.2022.100221上找到。引用[1] C.J. 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