1、化工进展Chemical Industry and Engineering Progress2023 年第 42 卷第 3 期氧化还原介体介导厌氧氨氧化生物脱氮的研究进展赵星程，贾方旭，蒋伟彧，陈佳熠，刘晨雨，姚宏（北京交通大学环境学院，水中典型污染物控制与水质保障北京重点实验室，北京 100044）摘要：厌氧氨氧化（anaerobic ammonium oxidation，Anammox）工艺被认为是一种高效经济且环境友好的生物脱氮技术，是传统生物脱氮工艺的理想替代。然而，该工艺的核心微生物厌氧氨氧化菌（AnAOB）生长速度缓慢，导致反应器启动时间长，限制了该工艺的实际应用与推广。因此，如何
2、提高AnAOB活性，进一步缩短反应器启动时间成为亟待解决的问题。氧化还原介体（redox mediator，RMs）作为电子载体，通过加速电子传递过程，可增强AnAOB脱氮酶活性和代谢性能，从而提高整体脱氮效果。本文围绕RMs在强化Anammox性能中的作用进行讨论，介绍了RMs的特性、种类及其基本原理，从Anammox性能、胞外聚合物产量、脱氮酶活性及功能菌丰度等方面综述了RMs对Anammox过程的影响，并对其潜在的机理进行了分析和总结，以期为今后的实际应用提供理论依据和参考价值。关键词：厌氧氨氧化；氧化还原介体；生物脱氮；工艺强化；电子传递中图分类号：X703.5 文献标志码：A 文章编
3、号：1000-6613（2023）03-1606-12Redox mediators-mediated anaerobic ammonium oxidation process for biological nitrogen removal:a reviewZHAO Xingcheng，JIA Fangxu，JIANG Weiyu，CHEN Jiayi，LIU Chenyu，YAO Hong(Beijing Key Laboratory of Aqueous Typical Pollutants Control and Water Quality Safeguard,School of Env
4、ironment,Beijing Jiaotong University,Beijing 100044,China)Abstract:Anaerobic ammonium oxidation(Anammox)process is considered as an efficient,economical and environmentally friendly biological nitrogen removal technology,which is an ideal alternative to the conventional biological nitrogen removal p
5、rocess.However,anaerobic ammonia oxidizing bacteria(AnAOB),as the functional microbes in Anammox process,has slow growth rate,resulting in a long reactor start-up time,which hinders the practical application and promotion of the process.Therefore,it is urgent to enhance the AnAOB activity and furthe
6、r reduce the reactor start-up time.Redox mediators(RMs),as electron carriers,can enhance the activity and metabolic performance of AnAOB nitrogen-converting enzymes by accelerating the electron transfer process,thus improving the overall nitrogen removal effect.This paper discussed the role of RMs i
7、n enhancing the Anammox performance,introduced the characteristics and types of RMs,as well as their basic principles,reviewed the effects of RMs on the Anammox process in terms of Anammox performance,extracellular polymeric substances production,nitrogen-converting enzymes activity and functional b
8、acterial abundance,as well as analyzed and 综述与专论DOI：10.16085/j.issn.1000-6613.2022-0994收稿日期：2022-05-27；修改稿日期：2022-07-11。基金项目：中央高校基本科研业务费自由申报项目（2019JBM088）。第一作者：赵星程（1992），男，博士研究生，研究方向为厌氧氨氧化污水脱氮处理。E-mail：。通信作者：贾方旭，副教授，硕士生导师，研究方向为厌氧氨氧化污水脱氮处理。E-mail：。引用本文：赵星程,贾方旭,蒋伟彧,等.氧化还原介体介导厌氧氨氧化生物脱氮的研究进展J.化工进展,2023,
9、42(3):1606-1617.Citation：ZHAO Xingcheng,JIA Fangxu,JIANG Weiyu,et al.Redox mediators-mediated anaerobic ammonium oxidation process for biological nitrogen removal:a reviewJ.Chemical Industry and Engineering Progress,2023,42(3):1606-1617.16062023年3月赵星程等：氧化还原介体介导厌氧氨氧化生物脱氮的研究进展summarized the potential
10、mechanism,with a view to providing theoretical basis and reference value for future practical applications.Keywords:anaerobic ammonium oxidation;redox mediators;biological nitrogen removal;process enhancement;electron transfer目前，大多数污水处理厂采用传统的硝化-反硝化技术实现废水脱氮处理，此过程需要额外曝气和外加碳源，并释放大量温室气体。自20世纪末，厌 氧 氨 氧 化
11、（anaerobic ammonium oxidation，Anammox）被发现以来，完全自养脱氮引起了学者们的广泛兴趣1-8。如图1所示，此过程在厌氧氨氧化菌（Anammox bacteria，AnAOB）的作用下，以亚硝酸盐（NO-2）为最终电子受体，可直接将氨氮（NH+4）转化为氮气（N2）9。与传统生物脱氮技术相比，Anammox工艺由于具有节省曝气消耗，不需要额外碳源，减少剩余污泥量和温室气体排放等优点，大幅降低了运行成本，被认为是更节能、更环保的生物脱氮技术10-11。然而，在实际工程应用中，由于厌氧氨氧化菌生长速度缓慢（倍增时间为2.112天），导致系统启动时间较长，限制了其大
12、规模工程应用的前景12-14。因此，如何增强AnAOB活性并进一步缩短反应器启动时间成为急需解决的问题。研究表明，AnAOB脱氮酶活性及分解代谢能力是影响Anammox过程的重要因素。如图2所示，Kartal等15认为厌氧氨氧化体膜及其内部发生的能量转换和代谢途径可分为以下3个步骤：在亚硝酸盐还原酶（Nir）的作用下，NO-2消耗一个电子还原为一氧化氮（NO）；在联氨合成酶（Hzs）的作用下，氨（NO+4）与上一步还原生成的NO结合 生 成 联 氨（N2H4）并 消 耗 由 电 子 转 移 模 块（ETM）还原甲基萘醌（MQH2）过程中产生的3个电子；在联氨脱氢酶（Hdh）的作用下，将N2H4
13、图2厌氧氨氧化菌的能量代谢示意图18图1生物氮转化框架图 化工进展，2023，42（3）氧化成N2，并释放4个电子；在亚硝酸盐氧化还原酶（Nxr）的作用下，部分NO-2被氧化为硝酸盐（NO-3）并释放2个电子，用于补充NAD(P)+还原从循环电子流中提取的电子，从而保证电子传递链中的电子平衡。除此之外，厌氧氨氧化体所释放的能量在膜结合蛋白复合体（例如 Rieske：heme b respiratory complex，R/b复合体）的作用下，可产生质子动力，与在厌氧氨氧化体膜上的ATP合成酶（ATPase）结合，驱动ATP合成15。据Sinninghe等16报道，在缺乏ATP的情况下，生物质产
14、量会减少50%。由此可见，若增强脱氮酶活性，有助于提高ATP的合成速率，为AnAOB的分解代谢提供更多 的 能 量，促 进 Anammox 活 性，进 而 加 速Anammox反应器的启动17。有 学 者 报 道 一 些 氧 化 还 原 介 体（redox mediator，RMs）具有作为电子载体的能力，可通过促进微生物之间或微生物与电子供/受体之间的转移电子来提高能量代谢水平19。近年来，该方法被广泛应用于Anammox废水处理过程，可显著提高了 Anammox 的脱氮速率17-20。因此，本文通过介绍各类RMs 介导微生物反应的原理和应用，总结RMs促进Anammox脱氮性能的研究结果，
15、分析其促进 Anammox 活性的潜在机制，以期为Anammox工艺的快速启动和工程化应用提供参考和借鉴。1 氧化还原介体1.1 氧化还原介体介导微生物反应的基本原理RMs，又被称为电子穿梭体，是一类具有氧化还原特性的化合物，通过可逆地被氧化和还原可加速电子从初级电子供体至末端电子受体的传导速率。研究发现通过人工添加RMs可使微生物氧化还原反应速率增强若干个数量级，甚至会在微生物的能量代谢中开辟新的电子传递方式，从而影响其生长和生理特性，以提高反应速率19,21。如图3(a)所示，与单纯的生物反应不同，RMs可通过改变自身的氧化还原状态，介导微生物间接地将还原当量从基质转移到污染物上进行降解，
16、其原理可分为两个半反应22：微生物通过氧化底物将电子传递给RMs，使RMs发生生物还原反应；被还原的RMs再将电子传递给目标污染物，对污染物进行化学还原。Van等23认为RMs发挥有效电子传递效果的前提是，其标准氧化还原电位（E0）应介于两个最终的半反应之间。然而，RMs的有效性同样取决于其还原和氧化的活化能，即使介体的E0超出初级电子供体和末端电子受体的范围也有可能诱发介导反应。除此之外，对微生物反应速率的提升不仅依赖于E0的高低，还与RMs的一些特性相关，例如：可溶性、生物毒性以及细胞膜通透性等。1.2 氧化还原介体的种类及在微生物降解污染物领域的应用对于微生物而言，RMs既存在于细胞自身，被称为内源性RMs；又可获取于自然界，被称为外源性RMs。内源性RMs包含可驱动电子从柠檬酸循环转移到呼吸电子传输链的烟酰胺腺嘌呤二核苷酸（NAD），以及在呼吸蛋白复合体中穿梭的甲基萘醌（MQ）等。除此之外，常见的外源性RMs可根据在液体中的溶解性可被分为可溶性RMs和不可溶性RMs图3(b)22-30。其中，可溶性RMs包括：可溶性腐殖质组分（富里酸和腐殖酸）、醌类RMs（9,10-蒽醌、2-
