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單菌株（SND5）生物脫氮除磷：新加坡的新嘗試

發布日期：2021-10-22 來源： IWA國際水協會
　　2020年10月，IWA學術期刊《Water Research》上發表了新加坡國立大學的研究，他們發現了一種Thauera sp.的新型菌株，并將其命名為SND5。該菌株可以同時去除污水中的氮和磷，與傳統污水處理方法相比，大大減少了工藝占地面積，降低了運營成本和溫室氣體排放。在今年的IWA網絡版世界水大會上，王慶坤博士作為代表更詳細地分享了他們團隊的最新研究進展。
　　
　　圖. 何建中副教授 (左) 和王慶坤(右)的合照 | 圖源：新加坡國立大學
　　同時脫氮除磷的細菌？
　　大家都知道，傳統的脫氮工藝通常需要有獨立的缺氧區和好氧區，而且要對兩個區的pH進行調節，一般要對好氧區投加NaOH補充堿度，而要對缺氧區投加HCl降低堿度。
　　
　　過去工程界的主流觀點認為硝化和反硝化是有兩類菌群來完成的。但過去十年已經有若干研究顯示，有一些細菌可以同時完成硝化和反硝化反應。這類細菌被統稱為SND菌(Simultaneous Nitrification and Denitrification Bacteria)。目前有報道的SND菌包括：
　　
　　除了脫氮，除磷工作也是污水處理的重要部分。生物除磷主要依靠聚磷菌(PAOs)來完成。
　　
　　PAOs菌和反硝化菌兩者之間會存在競爭關系，因為它們都在厭氧/缺氧區中，而它們都需要碳源維持自己的代謝繁殖。
　　
　　而另一方面，微生物界又存在著可以進行反硝化反應的聚磷菌，例如Candidatus Accumulibacter phosphatis，因為對這些聚磷菌而言，硝酸鹽或者亞硝酸鹽也是他們可以利用的電子受體。
　　
　　某天，研究團隊在新加坡Ulu Pandan再生水廠進行常規檢測時注意到好氧池發生了脫氮反應。而且在沒有除磷菌的情況下，除磷率也比期望值高。他們因此提出了一個非常大膽的假設：這里邊是不是有到一種細菌，它能同時完成硝化-反硝化，并且用亞硝酸鹽/硝酸鹽作為電子受體來吸收磷。
　　于是他們取污水廠的污泥放入含有硝酸鹽和乳酸(碳源)的反硝化溶液里，然后取部分培養物轉移到裝有瓊脂的瓶中，繼續用反硝化液來培養（還額外添加NaHPO4）。經過48小時、30℃的培養，他們看到瓊脂培養基上長出了一些粘稠乳狀、直徑在2-5mm的淺黃色斑點。
　　研究團隊取部分斑點進行基因測序，結果顯示，16S rRNA的基因與 Thauera 屬最為相似，而且與 Thauera sp. 的序列相似性最高 (99%)?；谏鲜鼋Y果，他們將該菌株確認為Thauera屬的新成員，并取名為SND5。
　　
　　他們發現這個SND5菌可以利用各種碳源，包括乙酸、乳酸和琥珀酸等，而且在碳氮比低于5的情況下，SND5菌依然正常工作。如果只含硝酸鹽的溶液進行反硝化反應時，沒有觀察到亞硝態氮的積累，它能將各種形態的氮轉化成氮氣。他們還發現，在SND5進行的異養氨氧化反應里，沒有看到亞硝態氮/硝態氮的積累。
　　傳統的氨氧化路徑是這樣的：
　　
　　在這過程會涉及到多種特征酶，包括氨單加氧酶(AMO)和羥胺脫氫酶(HAO)等，但他們也沒有在SND5的基因組里檢測到這些酶的基因，例如amoA基因、amoB基因和HAO基因等。
　　SND5的氨氧化路徑是否有別于傳統過程呢？他們將這個問題轉化成SND5的氨氧化是否用到羥胺 (NH2OH)這個中間物。為了驗證這個問題，他們在一個封閉系統里，用羥胺作為唯一的氮源來進行測試(加入純氧)。
　　結果顯示，封閉系統的羥胺和乳酸都有所減少，說明SND5可以將羥胺作為單一氮源。然而，在氨氧化的過程中，他們卻沒有檢測到羥胺，而且氨氮的去除率和開放系統相當，同時也沒有檢測到一氧化二氮(N2O)。
　　他們用Bruce Rittmann教授和Perry McCarty教授在2012年曾借助熱力學反應式指出：從氨氧化到氮氣之間轉化，理論上是可以只用氧氣作為電子受體，不需要N2O作為中間產物。所以王博士認為，SND5的氨氧化路徑可能是這樣的：
　　NH4+ → NH2OH → N2
　　基于以上發現，王博士指出，相比傳統硝化/反硝化方法，用SND5來脫氮的一大優勢就是可以減少N2O的產生，從而減少溫室氣體的排放。
　　
　　另外有趣的是，他們的實驗結果還顯示，SND5還可以作為反硝化聚磷菌（DPAOs）來去除污水中的磷，電子受體可以是氧氣，也可以是硝酸鹽或者亞硝酸鹽.
　　王博士還提到，其實SND5并不罕見，他們的豐度數據顯示，在世界各地的污水廠都能會找到SND5的身影，說明其實SND5早就存在，只是我們現在才真正發現了它。
　　
　　SND5和Anammox強強聯合？
　　研究團隊也嘗試回答一個更重要的問題：城市污水的處理能用到SND5嗎？他們在新加坡的一個IVP污水測試廠對三種不同進料模式分別進行了測試。
　　
　　結果顯示，SND在脫氮過程中扮演著重要角色，在其中兩種進料模式下的貢獻率達41.8%和30.6%。
　　
　　在報告最后，王博士還提出了一個有趣的假設：是否可以將SND5和厭氧氨氧化菌(anammox)一同用于到主流污水處理線中？下圖是他的設想：缺氧區用anammox脫氮，在好氧區用SND來脫氮除磷。
　
　　Anammox和SND5聯合打造新的主流生物脫氮除磷工藝？
　　新加坡團隊的發現再一次顛覆了我們對生物脫氮除磷的認識，也為日后更多的工藝創新提供理論基礎。那么用SND+anammox的單個菌種來處理市政污水的設想是否行得通呢？我們期待他們日后更多的研究來揭曉。
　　對他們的研究感興趣的讀者，可以回看王博士報告的完整視頻：
　　參考資料
　　https://news.nus.edu.sg/a-new-multitasking-microbe-to-purify-wastewater/
　　https://hal.archives-ouvertes.fr/hal-01883538/document
　　https://vtechworks.lib.vt.edu/bitstream/handle/10919/103073/Klaus_SA_D_2019.pdf?sequence=1&isAllowed=y
　　https://www.asianscientist.com/2020/12/in-the-lab/thauera-snd5-nitrogen-phosphorus-wastewater-treatment/
　　https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S0043135420308368