硫酸盐还原厌氧氨氧化机理及其微生物研究进展

罗安腾，吴莉娜，和书航，余 珂

（1. 北京建筑大学 环境与能源工程学院，北京 100044；2. 北京建筑大学 城市雨水与水环境教育部重点实验室，北京 100044；3. 北京大学 深圳研究生院 环境与能源学院，广东 深圳 518055）

石油、化工等行业排放的废水中往往同时含有高浓度的氨氮和硫酸盐，这类废水如果不经有效处理直接排放，其中的氨氮将会导致水中溶解氧含量降低、水体富营养化［1-2］，硫酸盐则会腐蚀管道、污染大气、酸化水体和破坏土壤结构［3］，给生态环境造成严重危害［4-5］。目前，针对此类废水的处理，常采用分段生化的方法，即先去除硫酸盐再进行脱氮处理，但这种处理方法存在工艺复杂、运行不稳定、占地面积大、成本高等缺陷。硫酸盐还原厌氧氨氧化（SRAO）工艺是近年来发展起来的一种新型废水处理技术，它以硫酸盐作为电子受体，将氨氮转化为氮气，既实现了硫酸盐和氨氮的同步去除，又不消耗外加有机碳源和能源，解决了厌氧氨氧化（Anammox）工艺中亚硝氮累积的问题，提高了工艺的可控性，降低了脱氮除硫的处理成本，具有广阔的应用前景［6-8］。

本研究分别从SRAO的反应机理、功能微生物以及功能微生物与其他微生物之间的相互作用等方面进行了综述，分析了SRAO在实际应用中的关键步骤，指出了SRAO目前所面临的主要问题，展望了SRAO今后的发展方向，以期为SRAO工艺的改进和工业应用提供理论支持。

1 SRAO的反应机理

2001年，FDZ-POLANCO等［9］采用颗粒活性炭厌氧流化床反应器（AFB）处理糖蜜酒精废水时发现，进入反应器中50%的氨氮通过未知厌氧过程转化为氮气，同时反应器中80%的硫酸盐被去除，据此提出反应器内存在一种利用硫酸盐作为电子受体将氨氮氧化为氮气的生物过程：首先，氨氮与硫酸盐反应生成S2-和亚硝氮；接着，S2-与部分亚硝氮发生硫自养反硝化作用，产生单质硫（S）和氮气；最后，剩余的亚硝氮与氨氮进行厌氧氨氧化反应（见式（1）～（4））。

至此，SRAO反应被首次发现。

2008年，LIU等［10］以硫酸盐为底物，接种Anammox污泥，在无机碳源条件下启动无纺布旋转生物接触反应器（Non-woven rotating biological contactor reactor，NRBCR）进行SRAO实验，发现在没有有机物的情况下，NRBCR连续运行80 d后产生了亚硝氮、S和氮气，据此认为氨氮可能首先与硫酸盐发生反应生成亚硝氮和S，然后生成的亚硝氮与氨氮发生Anammox反应（见式（5）～（7））。与FDZ-POLANCO等［9］提出的SRAO反应相比，不同之处仅在于反应过程中不产生S2-。

2009年，YANG等［11］在颗粒活性炭上流式厌氧污泥床（UASB）中接种硝化污泥，运行120 d后，成功启动了SRAO反应。由于氨和甲烷的化学结构类似，YANG等认为SRAO反应可能与硫酸盐厌氧氧化甲烷的过程相似（见式（8）～（9）），据此推导出SRAO反应中生成亚硝氮和S2-的可能半反应方程式，即式（10）～（11）。

关于SRAO反应机理的概念模型主要有3种（见图1）。一种认为：硫酸盐被还原为S2-，氨氮被部分氧化为亚硝氮，之后S2-与亚硝氮反应生成S和氮气，同时亚硝氮与剩余氨氮反应生成氮气，具体见图1a；另一种认为：硫酸盐被还原为S，氨氮被部分氧化为亚硝氮，之后亚硝氮与剩余氨氮反应生成氮气，具体见图1b；第三种观点认为：硫酸盐作为电子受体直接将氨氮氧化为氮气，硫酸盐被还原为S，具体见图1c。

图1 SRAO的反应机理

综上，目前关于SRAO反应的总方程式均相同，但其内在反应机理却存在争议。一种争议是关于反应中间体的：有观点认为，硫酸盐首先被还原成硫化物中间体，之后与氨氮氧化所产生的亚硝氮反应生成S（图1a）［9，12］；也有观点认为，在反应过程中，硫酸盐直接被还原为S（图1b、1c）［10-13］。另一个争议涉及反应过程中氮气的生成机制：有观点认为，在SRAO反应中，氮气是通过底物氨氮与其氧化产生的亚硝氮发生反应生成的（图1a、1b）［9-10］；也有观点认为，氮气是硫酸盐作为电子受体直接将氨氮氧化生成的（图1c）［13-14］。以上争议可能会影响我们对SRAO反应的理解和应用，但不可否认的是，SRAO反应为同时脱氮除硫提供了技术上的可能性［15］，可以通过更加精细的实验和计算方法对SRAO的反应机理进行深入研究。

2 SRAO功能微生物及其在体系中的种间互作

2.1 SRAO功能微生物

在厌氧环境下，介导SRAO反应的微生物群落为N、S循环建立了重要联系，而且氨氮和硫酸盐的去除效果也有赖于微生物的活性，因此，研究SRAO功能微生物的群落结构和代谢途径对SRAO工艺至关重要［16］。与Anammox功能微生物相比，SRAO功能微生物在反应底物、产物、电子受体和能源产生机制等方面明显不同。在反应底物和产物方面，Anammox功能微生物直接对底物氨氮进行氧化生成亚硝氮，而SRAO功能微生物则能够利用硫酸盐底物既进行氨氮氧化，又同时进行硫酸盐还原，产生硫化物和亚硝酸盐［17-18］。在电子受体方面，Anammox功能微生物将氨氮氧化为亚硝氮时传递电子，而SRAO功能微生物主要是将硫酸盐还原为硫化物时传递电子。在能源产生机制方面，Anammox功能微生物主要通过氨氮氧化过程产生能量，而SRAO功能微生物主要通过硫酸盐还原过程产生能量［19-20］。

LIU等［10］通过批量实验证明Anammox功能微生物具有很大的SRAO潜力，并通过变性梯度凝胶电泳分析发现了一种名为“Anammoxoglobus sulfate”的浮霉菌（planctomycetales）在氨氮氧化和硫酸盐还原过程中发挥了关键作用。蔡靖等［21］从长期稳定运行的厌氧脱氮除硫反应器污泥中分离获得了一株SRAO功能菌，通过形态观察、生理试验和16S rDNA序列比对，发现该菌株属于食苯芽孢杆菌（Bacillus benzoevorans），该菌能够利用多种碳源，基质多样性明显。刘正川等［22］在UASB反应器内研究了由Anammox转变为SRAO的过程及其微生物群落的变化情况，结果发现：经过177 d后，反应器中的优势菌群由Anammox功能菌属“Candidatus brocadia”转变为食苯芽孢杆菌，证明了SRAO的优势菌种与Anammox不同。RIKMANN等［23］分别在移动床生物膜反应器（MBBR）和UASB中建立了SRAO反应，从MBBR中检测到浮霉菌，而从UASB中检测到疣微菌（Verrucomicrobia），表明除浮霉菌外，疣微菌也参与了SRAO反应。MADANI等［24］采用厌氧驯化工艺，从工业废水中分离出一株SRAO功能菌，经16S rRNA测序鉴定，该菌株为蜡样芽孢杆菌（Bacillus cereus） FDAARGOS-798，经过14 d的混合营养培养，该菌对氨氮和硫酸盐的最大去除率分别为67%和80%。ZHANG等［25］通过构建循环流厌氧生物反应器（Circulating flow anaerobic bioreactor，CFAB）实现SRAO反应，连续运行187 d后，发现反应器内微生物群落变化明显，且SRAO的转化主要是由变形菌（Proteobacteria）引起的。

综上，微生物在SRAO反应中发挥了重要作用。随着研究的不断深入，越来越多的SRAO功能微生物群落被识别，但总体上讲，关于功能微生物介导SRAO反应代谢机理的研究还比较少，未来应继续结合基因组学、代谢组学、转录组学等手段，从代谢机理的角度出发，阐释功能微生物在SRAO反应中的作用。

2.2 微生物的种间互作

SRAO反应的最终产物和中间产物的多样性为其他微生物提供了理想的底物，有利于废水处理相关的其他功能微生物，如Anammox功能微生物和自养反硝化功能微生物的生长繁殖，故SRAO功能微生物与其他微生物的相互作用也是研究热点之一。研究证实，SRAO功能微生物与其他微生物之间的相互作用模型主要有4种（见图2）［16］。模型一是仅在SRAO功能微生物的作用下，氨氮和硫酸盐发生氧化还原耦合反应。如图2a所示：SRAO功能微生物将氨氮氧化为亚硝氮、硝氮和氮气，同时将硫酸盐还原为硫化物和S。RIOS-DEL TORO等［26］采用15N同位素示踪分析了海洋沉积物，发现除存在反硝化、Anammox耦合亚硝酸盐还原外，Anammox耦合硫酸盐还原反应同样存在。硫酸盐是海洋中最丰富的电子受体，在海洋沉积物中普遍存在，表明SRAO功能微生物可能在海洋环境中普遍存在。RIKMANN等［23］通过接种厌氧污泥，成功启动UASB实现脱氮除硫，发现在厌氧污泥中，同样存在SRAO反应。由此可见，无论是在自然环境中，还是在废水处理实际中，SRAO反应均普遍存在。

图2 SRAO功能微生物与其他微生物的相互作用模型

模型二是在SRAO和Anammox功能微生物的共同作用下，氨氮和硫酸盐发生氧化还原耦合反应。如图2b所示：首先，SRAO功能微生物利用硫酸盐将氨氮转化为亚硝氮、硝氮和氮气；然后，产生的亚硝氮在Anammox功能微生物的作用下与氨氮发生Anammox反应。WU等［27］采用UASB-A/O反应器-Anammox反应器-序批式反应器（SBR）耦合工艺对垃圾渗滤液进行处理，结果表明：SRAO和Anammox能够协同去除垃圾渗滤液中的氨氮，其中SRAO对氨氮的去除率为44.20%，Anammox对氨氮的去除率为35.46%；SO42-的去除率为52.8%；反应体系中含有多种SRAO功能微生物，其相对丰度是Anammox功能微生物的10～20倍。QIN等［28］在UASB中接种Anammox污泥成功启动了SRAO反应，在371 d的运行过程中，发现氨氮去除途径由初始的Anammox主导逐渐转变为SRAO主导，此外，在污泥中同时检测到SRAO功能微生物和Anammox功能微生物的存在，表明SRAO功能微生物和Anammox功能微生物共存于反应体系中并协同去除硫酸盐和氨氮。

模型三是在SRAO功能微生物和自养反硝化功能微生物的共同作用下，氨氮和硫酸盐发生氧化还原耦合反应。如图2c所示：首先，在SRAO功能微生物作用下，硫酸盐和氨氮发生反应，硫酸盐转化为硫化物和S，氨氮转化为亚硝氮和硝氮；然后，在自养反硝化功能微生物的作用下，硝氮被还原为亚硝氮和氮气，部分亚硝氮被还原为氮气，硫化物和S被氧化为硫酸盐继续参与体系内部的N、S循环。RIKMANN等［13］在MBBR中成功启动了SRAO反应，发现由于反应体系中存在硫自养反硝化功能微生物，因此S或硫化物可以很容易地被氧化成硫酸盐，导致部分硫酸盐被恢复，并改变了出水氨氮和硫酸盐的最终平衡，表明自养反硝化功能微生物参与了体系内的N、S转化。WANG等［29］在膨胀颗粒污泥床（EGSB）中成功启动了SRAO反应，发现反应体系中除SRAO功能微生物外，自养反硝化功能微生物如假单胞菌（Pseudomonas）和产碱杆菌（Alcaligenes）也参与了脱氮除硫反应，可见SRAO功能微生物和自养反硝化功能微生物可以共存并协同去除硫酸盐和氨氮。

模型四是在SRAO、Anammox和自养反硝化功能微生物的共同作用下，厌氧复合系统中的氨氮和硫酸盐发生氧化还原耦合反应。如图2d所示：首先，在SRAO功能微生物的作用下，硫酸盐和氨氮发生反应，硫酸盐转化为硫化物和S，氨氮转化为亚硝氮和硝氮；其次，在Anammox功能微生物作用下，产生的亚硝氮和氨氮发生Anammox反应生成硝氮和氮气；最后，在自养反硝化功能微生物作用下，硝氮被还原为亚硝氮和氮气，部分亚硝氮被还原为氮气，硫化物和S被氧化为硫酸盐，继续参与反应，从而达到体系内N、S转化的平衡。ZHANG等［30］采用CFAB通过SRAO反应同时去除氨氮和硫酸盐，发现反应器内同时存在SRAO、Anammox和反硝化功能微生物，由于反应器内同时存在硝氮和亚硝氮，导致发生了自养反硝化反应，表明除SRAO功能微生物外，Anammox功能微生物和自养反硝化功能微生物也参与了体系内的N、S转化。PRACHAKITTIKUL等［31］采用SBR，通过接种废水好氧硝化池中的活性污泥，经过长期运行成功启动了SRAO反应，通过16S rRNA 分析，检测到SRAO、Anammox和自养反硝化功能微生物，再次表明SRAO、Anammox和自养反硝化功能微生物可以共存并协同去除硫酸盐和氨氮。

综上，与传统的Anammox工艺相比，目前对于SRAO工艺的微生物群落特征、代谢途径以及功能微生物的了解都十分有限，还需要在微生物层面进一步提高对SRAO功能菌群的认识。在SRAO功能微生物与其他微生物的相互作用方面，目前已经开展了生物组学研究。今后还应结合宏基因组学、代谢网络重建和宏转录组学等生物信息分析方法，进一步解析SRAO功能微生物的代谢活动及其与其他微生物之间的潜在相互作用，不断完善SRAO反应体系中N、S的代谢机制。

3 结语

SRAO工艺作为一种绿色节能的新型生物脱氮除硫工艺，近年来受到广泛关注。与Anammox工艺相比，SRAO工艺可以同步实现废水的脱氮除硫，更加经济环保。介导SRAO反应的微生物群落在N、S循环之间建立了重要联系，其反应产物的多样性促进了SRAO功能微生物与Anammox功能微生物和自养反硝化功能微生物之间的相互作用，详细研究这些功能微生物间的相互作用有利于进一步了解反应体系中N、S循环之间的联系，从而提升SRAO工艺的脱氮除硫效率。目前SRAO工艺中仍存在以下问题：

a）SRAO反应机理尚不明确，还需要深入探讨，为其工程应用提供理论支持。

b）目前，对SRAO体系中微生物的群落结构、功能微生物和微生物代谢途径以及微生物在废水处理中的效能等了解还十分有限，需要深入研究。

针对上述SRAO工艺存在的问题，未来可以运用生物信息学（如16S rRNA分析、宏基因组学分析）和分子生物学等方法对SRAO功能微生物的纯培养、群落互作和群体感应（信号机制）等进行研究，深入探究SRAO体系中功能微生物之间的相互作用、不同环境因素影响下的菌落特征和功能菌的动态特性等；通过微分干涉对比显微镜和拉曼光谱等方法揭示SRAO体系内的N、S循环途径，解析SRAO体系的内部机制，为SRAO工艺的实际应用提供理论支持。