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厌氧氨氧化——你不知道的研究及发展历史

Gist-Brocades酵母厂位于荷兰鹿特丹市市中心,由于工厂产生大量臭鸡蛋味的气体和含硫废物,因此该厂并不受当地人欢迎。为了讨好厂区附近的邻居,该公司设计了一道除味的工艺,就是用厌氧池来取代密闭出水。因此该厂将80年代中期建的一所中试改成厌氧池,使得硫化物浓度有所下降。但是,当居民在呼吸上松了一口气后,厂里的工人们却注意到了一个奇怪的现象。道理上,氨需要氧进行降解,所以工程师认为厌氧池中的氨氮浓度应该保持不变。但是几个月后,氨浓度仍继续降低,并且开始产生氮气。
      出于好奇,该工厂联系了戴尔福特工业大学的生物学家Gijs Kuenen。Kuenen猜测可能是厌氧菌的作用,厌氧菌可能会利用氨和亚硝生成氮气和水。细菌能够进行厌氧氨氧化或厌氧氨氧化反应的观点大约在10年前就已经被提出,但大部分微生物学家都持怀疑态度,因为之前从来没有发现过这种菌,并且也从没见自然发生过。
Kuenen意识到神奇的厌氧氨氧化菌可能会提供一个新的污水处理方法,如果在其他地方也有所发现,那么该菌在自然界中将会非常重要。所以Kuenen决定要研究一下。他的前博士生Marc Strous说“这是一个勇敢的举动,”Marc Strous目前在荷兰的内梅亨大学,“Kuenen开始研究一些他所有同事都认为不存在的东西。”
在氮循环中的作用
      电子显微镜有助于揭开未知世界。一次近距离的观察发现,这些微生物体都居住在一个陌生的、内部的、膜结合的隔室内。这是个很大的惊喜,因为就好像跟人类本身细胞一样,只有更加复杂(或真核)的细胞才有这种隔室,我们称为细胞器。简单的“原核”细胞和细菌都没有细胞器。目前我们只知道一种菌,浮霉菌,具有这种结构,因此证明这种微生物属于该门。
浮霉菌非常奇特,因为它同时含有生活中细菌、真菌和古菌三大菌属的功能,因此有些人认为该菌在早期可能跟三大菌属是同一个祖先。DNA的研究将它们明确归类为细菌属。但是他们的内部细胞器使它们更像真菌。同时,该微生物细胞壁中缺少刚性聚合肽聚糖,这使得它们又类似于单细胞膜的古菌。Strous说“它们的出现模糊了细菌的定义”。
      我们并不知道浮霉菌能否进行厌氧氨氧化反应,但Kuenen的团队用氨和亚硝培养出了厌氧氨氧化菌,并观察到培养底物的消失。基因分析证实了该微生物,它们临时命名为Brocadiaanammoxidans;anammoxidans是它们独特的生物化学特性,Brocadia是它们被发现的地方,由于该菌鲜红的颜色从而留给研究者们美好而深刻的印象。
本文发表以后,所有同事的观点一夜之间全部都改变。MikeJetten也是内梅亨大学微生物学家,并且继续从事该项工作,他说“这是一个真正的转折点”。在文章发表前,多数微生物学家不相信会发生厌氧氨氧化。但这之后,该理论得到了广泛的认同,并且厌氧氨氧化菌在地球氮循环中也有了它们应有的位置。


循环可以将稳定的氮气转换成更加有用的形式,例如氨和硝酸盐离子,然后再返回成氮气,从而维持全球氮平衡(见背面图)。氮气通过固氮微生物直接转换成氨,例如土壤中与之相关的植物根系。植物和动物消耗氨,而当他们死亡并分解后又将其释放出来。下一步是硝化菌和古菌将氨转换成亚硝酸盐和硝酸盐,然后反硝化微生物再将硝酸盐转换成氮气补给到大气中,该循环结束。而厌氧氨氧化在整个循环过程中走了个捷径,创造了一个由氨和亚硝直接转换成氮气的途径。
      实际上,这些细菌能拥有这么一种绝技已经是足够卓越了。但是当研究者研究它们是怎么做到时,又出现了更多的惊喜。研究结果显示,厌氧氨氧化反应发生在胞内膜或厌氧氨氧化体中,且产生联氨作为中间产物。为什么该菌会产生联氨(一种强效的火箭燃料)?并且这种爆炸分子在自然的任何地方都找不到。Jetten说“我们仍然困惑的是发生了什么”。
价值
      或许该过程需要高能联氨来驱动厌氧氨氧化反应。但是并不知道这些细菌是怎样管理它们产生的有毒的联氨并且不杀死细菌本身。由于联氨能够在细胞膜间轻松的扩散,所以Jetten怀疑厌氧氨氧化体的生物膜绝对是不同寻常的,该生物膜能防止肼扩散,甚至有些情况下可以包含危险载体。
      他联系了来自NetherlandsInstitute从事海洋研究的脂质专家Jaap Sinninghe Damsté,并一起分析了细胞器膜。其结果又是一项非凡的发现。“我们将结果其展示给阿姆斯特丹大学的有机化学家们,而他们说这些都是不可能的” Damsté说。
这些生物膜的脂质由五个碳环融合在一起形成一个密集的阶梯。这种“梯形烷”脂质是独特的,因为它需要大的能量建成,并且很不稳定。可以认为,这种结构使得该膜非常致密,所以能够阻止联氨泄漏到细胞其余地方。“这完全是一个谜,大自然怎会创造出这种脂质”来自哈佛大学的有机化学家兼诺贝尔奖获得者Elias Corey说道,目前Elias Corey已经在实验室构造出该脂质的结构。科学家们目前正在解析该菌的基因组,目的是想解释这种生物膜是怎么形成的。荷兰团队已经对生产这种脂质的工艺申请专利,希望微电子产业能够为这种坚不可摧的膜提供一个用武之地。
        厌氧氨氧化菌最实际的应用在于污水的处理。污水厂和一些制造化肥或精炼石油的工厂会产生数百万升富含氨的废水,所有的这些含氮废水都需要降解掉。传统方法是使用硝化菌将氨转换成亚硝酸盐或硝酸盐,然后反硝化菌再将其还原成氮气。硝化过程的微生物需要氧气,并且需要巨量的氧气,因此一些机器就要耗费大量的电来为这些污泥进行曝气。不但如此,反硝化过程还需要外碳源,例如甲醇,甲醇燃烧又会产生二氧化碳。所以,这种工艺是代价高昂的,不仅占用大量空间还对环境不好。
而厌氧氨氧化污水处理工艺的形成,提供了重要的优势。厌氧氨氧化菌能够利用氨作为他们的能源,这就不需要再用昂贵的甲醇。并且该反应不需要氧气,所以厌氧氨氧化工艺会消耗更少的电量。该工艺不仅不产生二氧化碳,反而还会消耗它,所以该工艺是非常环保的。总之,与传统的工艺相比,厌氧氨氧化工艺会减少90%的运行费并节省50%的空间面积。
荷兰Paques公司,总部位于Balk,该公司已经开发出第一个厌氧氨氧化反应器。原型已经建成,并且作为鹿特丹城市污水处理厂的一部分,现在运行良好。
      虽然厌氧氨氧化很可能成为污水处理中重要的一部分,但是它在广阔的世界里中作的用可能是更深远的。海洋学家对厌氧氨氧化的研究推断,如果该反应能够在缺氧池中进行,那么也可能在海洋中的部分贫氧区发生,有助于海洋中氮循环。如果是这样的话,这将会解决一个40年之久的海洋之谜。
在60年代中期,来自西雅图华盛顿大学的Francis Rids注意到,在缺氧的海湾,氨总是莫名其妙的减少。他推测这些氨一定是在厌氧条件下被氧化成氮气,要么是无机的,要么是通过一些未知的微生物。当时,海洋学家觉得这个想法很荒谬。

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