20世紀(jì)，全球人口增兩倍，人類用水則激增五倍，約12億人用水短缺，水資源短缺尤其是水質(zhì)性缺水成了世界共同面對的資源危機(jī)，生活、工業(yè)、農(nóng)業(yè)污水是污水主要來源，污水處理順理成章成為新興朝陽產(chǎn)業(yè)。污水生物處理的實質(zhì)就是通過微生物的新陳代謝活動，將污水中的有機(jī)物分解，從而達(dá)到凈化污水的目的。污水處理在水質(zhì)改善的同時，還要求所采用技術(shù)低能耗、少資源損耗，厭氧氨氧化與亞硝化工藝相結(jié)合的氮的完全自養(yǎng)轉(zhuǎn)換方式是一種最可持續(xù)的污水脫氮途徑。厭氧氨氧化菌就是這神奇途徑的承載者。

新聞報道中稱厭氧氨氧化菌叫紅菌，這是為什么呢？ 厭氧氨氧化菌呈球形、卵形，直徑約0.8-1.1μm，在自然界以及廢水生物處理系統(tǒng)中, 厭氧氨氧化菌豐度很低，幾乎檢測不到其活性，當(dāng)其在生物膜上有低活性的時候，污泥就不是通常的黑色了，呈現(xiàn)為灰色，馴化一段時間后，隨著菌數(shù)增加，污泥顏色轉(zhuǎn)變?yōu)榧t棕色，由于厭氧氨氧化菌含有豐富的細(xì)胞色素, 當(dāng)其成為優(yōu)勢菌群時，成熟的厭氧氨氧化污泥呈現(xiàn)美麗的深紅色, 污泥顏色的變化也可用作厭氧氨氧化反應(yīng)器啟動進(jìn)程的指示。由于這與眾不同的紅色，污水處理廠的工人們就俗稱其為紅菌。

紅菌的發(fā)現(xiàn)之旅：用于污水處理的微生物一直存在于自然界，但進(jìn)入污水領(lǐng)域大顯神通則因為人類的認(rèn)識有早晚，則入門有先后。比如20 億年前就蓬勃存在的光合細(xì)菌，上世紀(jì)70 年代起就成功用于有機(jī)廢水工藝。但是一樣廣泛地存在于自然界中的厭氧氨氧化菌，其發(fā)現(xiàn)和應(yīng)用就戲劇曲折多了。 1977 年，科學(xué)家推測自然界中可能存在化能自養(yǎng)微生物將NH4+ 氧化成N2 , 但一直沒有實驗證據(jù)支持，一直到上世紀(jì)80年代末，在荷蘭代夫爾特一個酵母廠的污水脫氮流化床反應(yīng)器中，一個奇怪的現(xiàn)象被發(fā)現(xiàn)了，反應(yīng)器中NH4+ 消失的同時有N2 生成，可以判斷這里面存在之前科學(xué)家推測的厭氧氨氧化反應(yīng)?？茖W(xué)家經(jīng)過3年的重復(fù)，于1990年確證了這個代謝路徑的存在，與硝化作用相比，厭氧氨氧化以亞硝酸鹽取代氧，改變了末端電子受體；與反硝化作用相比，以氨取代有機(jī)物，改變了電子供體，化學(xué)反應(yīng)式是這樣的： NH4+ + NO2- →N2+ 2H2O

【盡管厭氧氨氧化菌屬于最古老的古生物菌，在自然界廣泛存在，貢獻(xiàn)了海洋中一半的氮?dú)?，?yīng)用到污水處理研發(fā)時，卻因為條件苛刻、系統(tǒng)脆弱而推廣速度緩慢】

但這種神奇的細(xì)菌不容易控制，采用傳統(tǒng)的系列稀釋分離、平板劃線分離、顯微單細(xì)胞分離等微生物分離方法都以失敗告終，1999 年，荷蘭科學(xué)家利用密度梯度離心的方法，第一次得到了厭氧氨氧化菌，約200到800個細(xì)胞中只含有1個污染細(xì)胞。遺憾的是時至今日，全世界都還未獲得厭氧氨氧化菌純培養(yǎng)菌株。慶幸的是眾多科學(xué)家協(xié)同攻關(guān)，在2006 年利用環(huán)境基因組學(xué)的方法完成了這一非純培養(yǎng)菌株厭氧氨氧化菌的全基因組序列測定，發(fā)現(xiàn)200 多個基因參與其氨氮的短程轉(zhuǎn)化代謝過程。

占細(xì)胞總體積的30% 以上的厭氧氨氧化體是厭氧氨氧化菌中最為重要的也是最獨(dú)特的細(xì)胞器，目前被假定為內(nèi)共生起源的細(xì)胞能量產(chǎn)生體，這也是第一個從原核細(xì)胞中發(fā)現(xiàn)的獨(dú)立產(chǎn)能細(xì)胞器，類似于真核細(xì)胞中線粒體的功能。厭氧氨氧化菌在缺氧條件下，無需有機(jī)物參與，可以直接將氨氮和亞硝態(tài)氮氧化成氮?dú)?，較之傳統(tǒng)硝化反硝化反應(yīng)較繁瑣的電子傳遞過程, 大大降低了能耗，是最經(jīng)濟(jì)的生物脫氮途徑，脫氮成本僅為傳統(tǒng)的十分之一，無疑成為污水脫氮處理的一個極富吸引力的方向。

目前，在全球也僅10余座大型厭氧氨氧化廢水處理廠。2002年，歷經(jīng)三年半的調(diào)試，荷蘭鹿特丹建成的世界上第一座生產(chǎn)性質(zhì)的，完全厭氧氨氧化污水處理反應(yīng)器才最終達(dá)到穩(wěn)定運(yùn)行狀態(tài)。厭氧氨氧化反應(yīng)器啟動過程實質(zhì)是其內(nèi)微生物活化和增殖的過程，由于厭氧氨氧化菌11天才能完成一個倍增，污泥產(chǎn)率系數(shù)較低，活性又易受到氧的抑制，啟動時間通常要半年。之前世界上已建立大型厭氧氨氧化廢水處理工程10余座，荷蘭、德國、日本、澳大利亞、瑞士、英國都有，國內(nèi)也有幾家，歷經(jīng)7年化蛹成蝶的北京高碑店厭氧氨氧化污水處理廠算是國內(nèi)目前比較大規(guī)模的。

盡管厭氧氨氧化污水脫氮處理技術(shù)有卓越的優(yōu)勢，但作為生物處理，必然具有一般生物的局限性，比如抗沖擊能力差，受環(huán)境影響大，對廢水的有機(jī)物含量配比要求比較苛刻等。復(fù)合工程菌的開發(fā)與利用以及組合工藝的研究將成為厭氧氨氧化污水處理工藝未來的發(fā)展方向，細(xì)菌和微藻的協(xié)同作用也是一個熱點(diǎn)。

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