昆士兰大学郭建华、香港理工大学刘涛Nature Water综述：通过氮循环微生物实现可持续污水管理

成果简介

近日，昆士兰大学郭建华教授、香港理工大学刘涛助理教授等在环境领域著名期刊 Nature Water 上发表了题为 “Sustainable wastewater management through nitrogen-cycling microorganisms” 的综述论文。文章回顾了过去一个世纪氮循环微生物的发现历程，并概述了这些科学发现如何推动污水处理技术的发展。本综述旨在搭建环境微生物学与水处理工程之间的桥梁，强调了对氮循环微生物的基础科学研究与技术开发之间不可分割的关系。微生物的发现推动了污水处理技术的创新，同时，对可持续污水管理的迫切需求也在不断促进对微生物的探索 。

氮是一种在环境和生物体中普遍存在的必需元素。地球大气中的氮气是最大的氮储存库，但由于其化学惰性，氮气不能直接形成生命的基本分子结构。惰性氮气转化为活性氮化合物的过程主要由微生物催化，这些微生物在维持全球氮循环平衡中发挥关键作用。然而， 20 世纪初 Haber-Bosch 过程的发明对自然氮循环进行了显著的干预。该过程导致每年约 9.7 × 10 ¹² mol 的氮排放，与陆地（ 7.9 × 10 ¹² mol year ^-1 ）和海洋（ 10.0 × 10 ¹² mol year ^-1 ）的自然氮固定量相当。值得注意的是，通过 Haber-Bosch 过程产生的大约三分之一的氮最终会进入污水系统。因此，有效的污水管理对于保持全球氮循环的平衡至关重要。

图文导读

污水系统中的氮级联

更优秀的（ NICER ）污水处理范式

全球众多污水处理厂面临包括更严格的排放标准、处理能力不足和基础设施老化等环境、社会和经济挑战。这些挑战推动了污水行业开发并采用创新的技术，以实现更多样化的目标。在过去 30 年间，全球无数科研人员和行业工作者投身于下一代污水处理技术的开发。 本文将这些广泛的目标提炼为 五个关键方面，即 实现净零温室气体排放（ N et-zero GHG emissions ）、增强处理能力（ I ntensifying treatment capacity ）、降本增效（ C ost-effective management ）、新污染物控制（ E merging contaminants control ）和资源回收（ R esource recovery ）。 这五个方面的首字母共同组成了 “NICER” - 更优秀的污水处理范式。在追求 “NICER” 污水处理范式的过程中，重构污水系统中的氮转化途径成为了新技术开发的主要动力之一 。

近一个世纪对氮循环微生物的发现与未解之谜

近年来，随着科学研究的深入，人类对氮循环微生物的理解不断扩展。这些重要发现包括厌氧氨氧化细菌（ anammox ）、好氧氨氧化古菌（ AOA ）、全程硝化细菌（ comammox ）、耐酸性好氧氨氧化细菌（ acid-tolerant AOB ）、甲烷型反硝化细菌和古菌（ n-DAMO ）等。本文深入分析了氮循环微生物各自独特的代谢途径，并指出了基础科学方面的最新进展和未来研究方向 。

例如，厌氧氨氧化细菌（ anammox ）自 20 世纪末在污水处理中被发现以来，其代谢途径已经得到了科学家们的广泛研究。然而，目前仍存在许多未解决的科学问题 :

· 首先，推动亚硝酸盐还原的酶尚未明确。众多观察显示部分厌氧氨氧化细菌并未表达其编码的亚硝酸盐还原酶（ NirS ），而部分厌氧氨氧化细菌甚至没有编码任何已知的亚硝酸盐还原基因。这一显著的差异暗示着存在未知的亚硝酸盐还原酶，虽有猜测为 HAO 类，但还需通过实验进行验证。

· 其次，亚硝酸盐还原的产物尚不明确，不同的厌氧氨氧化菌株间可能存在差异。例如， “ Ca. Brocadia” 的亚硝酸盐还原产物可能是羟胺，而不是先前为 “ Ca. Kuenenia” 所推测的一氧化氮。

· 第三，肼的形成机制也在不断更新。最初的研究提出，一氧化氮和氨通过肼合成酶生成肼。然而，新的证据表明，肼可能是由羟胺和氨反应形成。

· 第四，厌氧氨氧化细菌显示出细胞外电子传递（ EET ）的能力，能将氨氧化与向碳基不溶性胞外电子受体的电子传递过程耦合。然而， EET 可能不适用于所有胞外电子受体。例如，早期观察表明， “ Ca. Kuenenia stuttgartiensis” 并不能将氨氧化与 Mn(IV) 或 Fe(III) 还原耦合。因此，其更准确的电子传递机理仍待揭示。

氮循环微生物引领 NICER 污水处理范式革新

值得注意的是，可持续污水管理涉及多个方面，不仅限于污水中的氮污染物。氮循环微生物通过在不同处理阶段的氮转化，为 “NICER” 污水处理范式中提出的五个关键目标均做出了重要贡献 。

图 3. (a) B-C ₃ N ₅ 、 HC-C ₃ N ₅ 、 3% CDs/HC-C ₃ N ₅ 和 3% Fe-CDs/HC-C ₃ N ₅ 的原位 H ₂ O ₂ 生成曲线， (b) 相应的原位 H ₂ O ₂ 生成动力学曲线， (c) H ₂ O ₂ 产率。 (d) 不同条件下 3% Fe-CDs/HC-C ₃ N ₅ 的 H ₂ O ₂ 产生情况， (e) 分解曲线和 (f) H ₂ O ₂ 产率，包括 B-C ₃ N ₅ 、 HC-C ₃ N ₅ 、 3% CDs/HC-C ₃ N ₅ 和 3% Fe-CDs/HC-C ₃ N ₅ 。 (g) 3% Fe-CDs/HC-C ₃ N ₅ 的光催化 H ₂ O ₂ 产生循环测量， (h) 光催化反应前后的 XRD 图谱， (i) 反应后的 TEM 图像。

污水处理是温室气体排放的重要来源。除能源消耗引发的间接排放（ Scope 2 ）外，它还产生大量直接逸散性温室气体（ Scope 1 ），包括甲烷（ CH ₄ ）和一氧化二氮（ N ₂ O ）。因此，实现净零排放的三个关键方向是：减少能源消耗、降低 Scope 1 的直接排放，以及通过回收生物能源抵消碳排放。多种新型氮循环微生物可为此目标做出贡献。例如，好氧氨氧化古菌（ AOA ）和全程硝化细菌（ comammox ）已被证实相比传统硝化细菌排放更少的 N ₂ O ；携带 clade II nosZ 基因的新型反硝化微生物对 N ₂ O 有更高的亲和力；甲烷型反硝化细菌和古菌（ n-DAMO ）能够解决溶解 CH ₄ 的逸散问题；而基于厌氧氨氧化细菌（ anammox ）的工艺则可显著降低污水处理过程中的曝气能耗。

在不显著增加空间的前提下增强处理能力至关重要。污水处理设施的处理能力常常受限于二级处理，因为此阶段需要较长的水力停留时间（ HRT ）。此外，大量污泥的产生对二沉池以及污泥消化的处理能力也提出了挑战。在缩短污水处理 HRT 方面，一些新型氮循环微生物表现出巨大潜力。例如，在生物膜 / 颗粒污泥系统中，厌氧氨氧化（ anammox ）和甲烷型反硝化（ n-DAMO ）微生物的氮去除速率分别达到了 75.5 kg N/m ³ /d and 16.5 kg N/m ³ /d ，而耐酸性 AOB 的应用也已成功将主流污水短程硝化时间缩短到 30 分钟。此外，大多新型氮循环微生物的污泥产量相对较低，从而减轻了二沉池的处理压力。在缩短污泥处理 SRT 方面，利用一些新型氮循环微生物可以显著提高污泥消化的负荷。例如，耐酸性 AOB 在氨氧化过程中产生高浓度游离亚硝酸（ FNA ），可显著增强污泥消化的限速步骤 : 水解过程。将 FNA 用于污泥预处理，厌氧消化的 SRT 可从 15 天缩短至 7.5 天，从而使处理能力翻倍。

厌氧氨氧化（ anammox ）技术在减少能源、化学品投入以及污泥处理方面发挥着至关重要的作用，因此可以大幅度降低污水处理成本。根据亚硝酸盐来源的不同， anammox 技术可分为部分硝化 / 厌氧氨氧化（ PNA ）和部分反硝化 / 厌氧氨氧化（ PdNA ）。在这两种技术中，新型氮循环微生物展现出了巨大的应用潜力。在 PNA 过程中，整合厌氧氨氧化与耐酸性 AOB 、好氧氨氧化古菌（ AOA ）或全程硝化细菌（ comammox ）已成为一种潜在的策略。这些微生物独特的生理特征使其成为维持 PNA 稳健性和高效性的理想候选者。对于 PdNA ，近年来利用非传统电子供体（如甲烷、各种硫化物和铁化物）开发的技术得到了显著发展。这些新型 PdNA 工艺相较于传统有机物驱动的 PdNA 过程，具有多重优势，包括增强生物能源回收、降低污泥产量等。

在新污染物控制方面，好氧氨氧化菌能够通过共代谢来降解部分新污染物。好氧氨氧化古菌（ AOA ）、全程硝化细菌（ comammox ）、耐酸性 AOB 所表达的 AMO 酶与传统 AOB 不同，因此表现出不同的污染物亲和力。例如， AOA Nitrososphaera gargensis 在相同条件下对 ranitidine 的生物转化速率比传统 AOB 高出 3 至 5 倍；而全程硝化细菌（ comammox ）能够降解传统 AOB 无法降解的物质，如 carbendazim 。此外，其他新型氮循环微生物，如 n-DAMO 细菌和硫型反硝化细菌，也具有降解某些新污染物的能力。除生物降解外，部分新污染物也可通过高浓度游离亚硝酸（ FNA ）进行非生物降解或灭活，补充了通过共代谢途径实现的生物降解。然而，总体来说，氮循环微生物对新污染物的去除效率相对有限，并不能替代传统污水的深度处理过程，如消毒或高级氧化。

厌氧氨氧化技术通过自养途径脱氮，为污水有机物回收提供条件，从而最大化沼气的产量。尽管污水中的氮元素也可被回收，其经济可行性取决于污水中的氮浓度。源分离尿液中氮浓度可达 1000 mg N/L 以上，是氮回收的理想来源。其中，利用硝化微生物从尿液中回收硝酸盐肥料的重要挑战在于，高浓度游离氨和亚硝酸会抑制亚硝酸盐的生物氧化。基于耐酸性 AOB 、 NOB 及全程硝化细菌（ comammox ）的技术为应对此挑战提供了可能性。例如，独立完成整个硝化过程的全程硝化细菌（ comammox ）或许在平衡氨和亚硝酸盐氧化中具有独特优势。

从污水中回收游离亚硝酸（ FNA ）也具有广泛的应用潜力，其可用于控制污水管道的腐蚀和异味，解决膜污染问题，以及增强污泥和藻类的消化过程。耐酸性 AOB 的应用表明，即使在低浓度市政污水当中，仍然可以在不外加化学品的前提下，生产高浓度 FNA 。此外，利用氮循环微生物回收一氧化二氮、羟胺和肼等，也被提出作为新的资源回收概念。然而，这些方法的技术和经济可行性仍需进一步系统的分析与验证。

自 20 世纪中叶以来，氮循环微生物主要应用于生物脱氮（ BNR ）过程，在维持全球氮循环平衡方面发挥了关键作用。然而，这些微生物展现出卓越的适应性和多样性，其应用已不仅限于 BNR ，还可以广泛用于其他创新领域，包括前文提到的五个关键方面。其广泛应用的基础之一在于城市污水系统中的氮级联现象，使这些微生物几乎能够作用于所有处理单元。总体而言，氮循环微生物的应用已经突破了 BNR 的局限，成为推动污水系统各个单元创新的催化剂。因此，除 BNR 过程关注的氮污染物去除外，这些微生物的广泛应用有望大幅提升污水管理的可持续性和效率。

尽管新型氮循环微生物带来了诸多好处，但不应随意应用。选择合适的候选微生物应用于恰当的环境中，对于技术的成功至关重要。例如，在低温条件下，厌氧氨氧化细菌的性能会显著下降，而抑制 NOB 也变得更加困难，因此厌氧氨氧化技术目前认为更适合应用于热带地区。此外，传统 PNA 过程可能无法有效处理有机物过高的污水，而传统 PdNA 过程则需要污水中含有一定量的有机物来驱动部分反硝化。对于含有溶解甲烷和硫化物的厌氧处理出水，基于甲烷 / 硫的 PdNA 过程可能更为合适。同样，耐酸性 AOB 的应用也需仔细考量。只有在低碱度体系中（如源分离尿液、化学增强初沉（ CEPT ）出水、厌氧消化上清液和污泥），好氧氨氧化过程产生的氢离子才能将 pH 值降低至酸性水平。针对全程硝化细菌（ comammox ）和好氧氨氧化古菌（ AOA ）的应用场景更需仔细评估，特别是在其调控因素仍不明确的情况下。众多研究报道指出全程硝化细菌或许更适合于源分离尿液处理或生物膜系统。总体而言，将合适的候选微生物置于正确的应用场景，不仅是为了方便的考量，更是一种战略性需求。在大力投资新生物技术之前，应对每个应用场景进行细致的评估，以选择最适合的候选者。

基于氮循环微生物所开发的某些新污水管理技术可能需要新的基础设施，例如针对源分离尿液的处理；而某些新技术则需要对现有系统进行调整，例如在酸性条件下处理污水和污泥。随着对相关技术及微生物理解的不断深入，这些设计策略也在逐步演变。例如，早期的厌氧氨氧化技术通常需要新建设施，但近期趋势更倾向于将该技术整合到现有污水处理流程中，包括缺氧池和好氧池。显而易见，减少对新基础设施的需求并简化操作流程，是这些新技术成功实施的关键。技术发展的典型路径通常包括实验室概念验证和测试（ TRL 3-5 ）、试点示范（ TRL 6-7 ）以及全商业化设计和应用（ TRL 8-9 ）。本文指出，这些新污水处理技术目前处于不同的 TRL 阶段。例如，基于 AOA 和全程硝化的技术开发大多处于 TRL 3-5 阶段，耐酸性 AOB 和 n-DAMO 微生物相关的技术已提升至 TRL 6-7 阶段，而厌氧氨氧化技术则已达到了全规模商业化应用的 TRL 8-9 阶段。

亚里士多德曾说： “ The more you know, the more you realise you don't know. ”

对氮循环微生物的发现与应用的探索仍在持续，未来值得关注的几个领域包括：

· 神秘的古菌领域 ：自从发现 AOA 和 n-DAMO 古菌以来，科学家们对是否存在如亚硝酸氧化、厌氧氨氧化和全程硝化的古菌类氮循环微生物保持着极大的好奇。尽管古菌在地球历史上出现已久，但其许多特性至今仍然充满神秘。

· 极端环境的生存者 ：研究能够在极端 pH 、温度或盐度条件下生存的微生物是一个重大的研究领域。例如，最近在热泉中发现的耐热型全程硝化细菌和厌氧氨氧化细菌，不仅为它们在高温环境（如工业废水处理）中的应用提供了新的机会，还可能加速这些缓慢生长微生物的生长速率。

· 氮循环微生物的新功能 ：除硝化和反硝化之外，氮循环微生物还具有其他多种功能，如尿素水解、氰酸盐转化和氢气氧化等。进一步探索无论是传统还是新型氮循环微生物的这些新功能，将有助于多样化它们在污水处理中的潜力，并加深我们对其生态位划分、种群竞争等多方面的理解。