摘要
厌氧氨氧化（Anammox）工艺在高氨氮废水处理领域展现了独特的优势和良好的应用前景。然而，Anammox菌对多种环境条件敏感且易受各类污染物抑制，严重制约了Anammox工艺的推广应用。综述了多种工艺运行参数和抑制因子对Anammox菌的影响及其作用机制，以期为Anammox工艺的后续研究和工程应用提供参考。总体上，pH对Anammox菌生长和代谢的直接影响以及pH变化带来的游离基质毒性抑制不容忽视，冷休克蛋白则可以一定程度上消除低温对Anammox菌的负面影响。此外，不同的Anammox菌具有多种策略耐受自然和工程生态系统中的氧气。低浓度的有机物有助于Anammox菌与异养菌形成稳定的协同作用，合成或转运相容性物质或摄入盐分的方式是Anammox菌适应盐度胁迫的主要机制，低浓度的重金属离子刺激Anammox菌分泌大量的胞外聚合物抵御胁迫，且Anammox菌产生的大部分能量被用于去除胞内的金属离子。
厌氧氨氧化（Anammox）工艺具有脱氮效率高和运行成本低的优点，在高氨氮废水处理领域具有独特的优势和良好的应用前景。Anammox系统的脱氮性能与生物反应器内Anammox菌的活性及其数量息息相关，但是Anammox菌生长极其缓慢、倍增时间长达11 d，且Anammox菌只有在细胞密度到达一定阈值（1010~1011 mL-1）时才表现出活性，同时Anammox菌对多种环境条件极为敏感，导致Anammox工艺存在启动时间长和运行稳定性差等问题，严重制约了Anammox工艺的推广应用。为使Anammox系统在运行过程中保持较高的脱氮性能，需要避免一些不利因素对Anammox活性的抑制，而废水处理过程中的运行参数和废水中存在的抑制因子都可能抑制Anammox菌的活性。例如，pH可以显著影响Anammox反应的底物形态，使得游离氨（FA）和游离亚硝酸盐（FNA）浓度出现波动，导致反应器内的基质浓度发生变化以及pH变化带来的游离基质毒性抑制。此外，温度也是影响Anammox菌活性的重要因素，当环境温度低于微生物所能承受的最低温度时，细胞半流动状态的细胞膜将呈现凝胶化，阻碍了细胞正常的生命活动。
与此同时，在实际运行过程中成分复杂的污水通常含有多种毒害物质，导致Anammox工艺极易受到各种抑制因子的干扰。污水中的毒害有机物来源广泛，其中具有代表性的有酚类、醇类及醛类等，研究表明毒害有机物通常会使参与Anammox反应的关键酶失活，且此类基于生物毒性的抑制通常是不可逆的。此外，工业废水中存在的高盐和高浓度重金属对Anammox菌的毒害作用也不容忽视。高盐度可以导致污泥的聚集指数和疏水性降低，不利于污泥的聚集，而Anammox菌体内积累的重金属则会导致联氨脱氢酶和血红色素c的含量降低，从而导致Anammox系统的脱氮性能降低。随着Anammox工艺在主流污水处理中逐渐普及，环境突发事件通常会给污水处理中的Anammox菌带来短期暴露风险，维持和加强Anammox过程的稳定性和高效性成为发展碳中和型污水处理厂的关键单元。近年来，为了实现Anammox工艺的快速启动和长期稳定运行，研究者围绕Anammox工艺的影响因素和运行参数优化等方面开展了广泛的研究，积累了大量的有益成果，先前的综述主要集中于Anammox菌活性的变化、胞外聚合物含量和组分的响应以及细胞内氮代谢酶活性的变化。然而，工程生物处理系统中的工艺调整和水质波动通常会导致Anammox系统存在抑制和恢复的过程，但其影响Anammox系统运行性能的程度及潜在的抑制机理仍然有待研究。此外，厌氧氨氧化体作为Anammox菌内重要的细胞结构，面对抑制因子的胁迫时，厌氧氨氧化体的膜流动性和相关蛋白含量变化仍需要进行系统地总结和分析。笔者重点梳理了Anammox工艺的运行参数和废水中的抑制因子对Anammox菌的影响及其响应机制，总结了相应的修复缓解策略，以期为Anammox菌的后续研究和工程应用提供参考。
1运行参数对Anammox菌脱氮性能的影响及其作用机制
Anammox工艺在污泥消化液、垃圾渗滤液等高氨氮工业废水中的应用日趋成熟，但仍存在水质条件要求高、应用范围窄的难题。为了使Anammox工艺维持较高的脱氮性能，通常需要避免一些不利因素对Anammox菌活性的影响，其中pH、温度和溶解氧是影响Anammox工艺稳定运行的关键因素。
1.1 pH
废水处理中pH不仅可以直接影响Anammox菌的活性，而且还可以通过影响反应器内的酸碱电离平衡降低Anammox菌对基质的利用能力。一般认为，只有将反应器的pH控制在中性偏弱碱性的范围内（约7.5）才能取得理想的Anammox脱氮效果，强酸（pH=5.5）或强碱（pH=9.0）环境会导致Anammox颗粒污泥解体，严重影响反应器的脱氮性能图1（a）。研究表明反应器内的pH从7.0下降至6.0后，粒径为2~3 mm的Anammox颗粒污泥数量减少了17%，直接导致反应器的Anammox活性下降35.4%。因此，维持反应器的pH在合适范围对于Anammox过程的成功启动和稳定运行具有重要意义。
图1 pH对Anammox系统的影响
有研究报道，过高或过低的pH都会改变细胞膜两侧的电荷，导致细胞膜表面的蛋白和酶结构破坏，阻碍细胞对基质的吸收，1。与此同时，pH的变化通常还会改变反应器内NH4+/NH3和NO2-/HNO2的酸碱电离平衡图1（b）。当pH大于9.0时，反应器内的游离氨浓度迅速升高，过高的游离氨使得细胞膜的通透性增加，导致细胞内的物质外流，严重抑制了Anammox菌的活性。此外，研究证实pH除了对微生物的生命活动和物质代谢产生直接影响外，还能通过影响Anammox菌之间的群体感应来间接影响细菌活性和脱氮性能图1（c）5，1。当pH从7.5升高至8.5时，Anammox菌释放的信号分子N-己酰基-L-高丝氨酸内酯（C6-HSL）和辛酰基-L-高丝氨酸内酯（C8-HSL）的质量分数分别降低了56%和40%，且胞外聚合物的产量也降低了37%。当信号分子C6-HSL和C8-HSL的浓度不足以触发群体感应的响应时，Anammox菌未表现出活性，只有当反应器内的信号分子浓度达到相应阈值，且与受体蛋白结合后才能有效激活Anammox的功能基因表达。与此同时，反应器内的pH变化（7.5~8.5）也会导致悬浮污泥中的次级信号分子环二鸟苷酸（C-di-GMP）的含量显著降低，加剧反应器内污泥的流失，同时导致反应器内亚硝酸盐氧化细菌的丰度增加，使得Anammox菌处于竞争劣势。总体上，pH对反应器脱氮性能的影响主要集中于3个方面：1）pH对微生物生长和代谢的直接影响；2）pH变化引起FA和FNA浓度波动，导致反应器内的基质浓度发生变化以及游离基质带来的毒性抑制；3）pH影响Anammox系统的群体感应过程间接影响Anammox菌的活性和脱氮性能6-1。此外，当外部环境的pH偏离Anammox菌的最佳生长范围时，可以采用以下3种措施来缓解pH的抑制作用：1）延长废水的停留时间，为Anammox菌提供充足的分解时间，进而缓解反应器内的酸化现象；2）投加酸碱调节剂来控制反应器内的pH在适宜的范围内，但需要实时监测反应器内的pH变化，避免对Anammox系统造成冲击；3）添加钙、镁等金属离子缓冲剂形成弱酸强碱盐，进而缓解Anammox系统的酸化现象。
1.2温度
为了实现Anammox工艺在高寒地区的工程应用，通常希望在低温条件下实现Anammox过程的稳定运行。截至目前，研究人员采用了不同的控制策略来促使Anammox菌适应低温，其中主要有以下3种适应低温的方法：1）长期低温培养Anammox污泥，逐步富集适应低温的Anammox菌；2）逐步降低培养温度，从而达到逐渐适应的效果3-2；3）短时间内快速降低培养温度，促使Anammox菌适应低温并维持活性。相较于前两种低温适应策略通常需要几个月或几年的时间，短时间内快速降低培养温度促使Anammox菌适应低温，可能更具有实际的工程意义。V.KOUBA等在45 d内连续3次将Anammox菌的培养温度从24℃降低至5℃，每次在5℃条件下暴露8 h，结果表明该模式能够将培养温度为10℃的单位VSS的Anammox菌活性提高至54 g/（kg·d）（以N计），远高于对照组的Anammox活性。
低温降低了Anammox菌群的代谢活性，显著影响了Anammox菌的CO2固定、三羧酸（TCA）循环和丙酮酸代谢过程。当温度从35℃下降至20℃时，Ca.Kuenenia存在严重的能量运输限制和应激反应，且蛋白表达水平显著降低。此外，研究证实培养温度的变化还可能导致Anammox菌膜组分的阶梯烷脂烷基的侧链长度发生变化。Anammox菌为了保持生命体在最适温度，可能会上调或下调厌氧氨氧化体膜的C20［5］-阶梯烷脂肪酸和C18［5］-阶梯烷脂肪酸的丰度比来保持膜的流动性，从而维持生命体内稳定的相变温度和细胞器膜的刚性。此外，不管是逐步降低培养温度还是短时间内快速降低培养温度都会诱导较短的C18［5］-阶梯烷脂肪酸的合成，同时导致直链/支链烷基变得更短（C14~C16）。与此同时，温度变化对Anammox菌的蛋白含量和表达水平的影响也是另一关键因素。当反应器内的温度从35℃下调至25℃时，Anammox菌分泌了过量的冷休克蛋白和关键酶来消除温度变化带来的负面影响，使得Ca.Brocadia fulgida在适应温度变化方面比其他Anammox物种更具有竞争优势。面对低温对Anammox菌的基因表达带来的障碍，冷休克蛋白作为一种小分子RNA结合蛋白，可以通过破坏RNA二级结构来促进基因在低温生长过程中的表达。V.KOUBA等研究报道短时间内快速降低培养温度可以显著促进多种冷休克蛋白（如ppiD、UspA、pqqC、CspB和TypA）的分泌，其中无论是在短时间内快速降低培养温度还是逐步降低培养温度，两种冷休克蛋白CspB和TypA的产量都得到了显著提高，多种冷休克蛋白的作用在一定程度上消除了低温对Anammox菌的负面影响。此外，在低温条件下，颗粒污泥或生物膜形式的载体可能是Anammox工艺稳定运行的关键。研究表明絮状污泥和生物膜的复合系统不仅可以增加生物量，促进Anammox菌的富集，还可以增强微生物之间的协同合作，进而增强Anammox系统对低温冲击的抵抗能力。与此同时，一些外源添加物也被证实可以用于缓解Anammox菌遭受的低温胁迫。例如，研究表明添加适量的Fe（Ⅱ）可以促进Anammox系统在低温条件下保持良好的脱氮性能和颗粒污泥稳定性。
1.3溶解氧
溶解氧是影响Anammox过程的关键参数，研究表明，低浓度的溶解氧（0.25%~2%氧饱和度）对Anammox菌产生的抑制是可逆的，而高浓度的溶解氧（>20%氧饱和度）能对Anammox菌产生不可逆的抑制。其中，氧气参与生成的氧化物或自由基是导致Anammox菌产生氧化应激反应的驱动因素。面对氧化应激反应，微生物通常通过快速降低能量代谢的转录水平和上调外排泵及鞭毛组装基因的表达来应对代谢活动受到抑制。研究发现2 mg/L的溶解氧将导致Ca.Kuenenia stuttgartiensis产生剧烈的氧化应激反应，显著下调参与中心代谢过程的基因转录水平，并将能量转移至鞭毛组装和金属离子转运模块，但其也可能通过合成鸟苷四磷酸，并激活氧化应激反应来应对溶解氧暴露带来的胁迫压力。
近年来，研究发现Anammox菌可能是耐氧细菌而不是严格的厌氧细菌，不同的Anammox菌具有多种策略耐受自然和工程生态系统中的氧气胁迫。例如，Ca.Loosdrechtia aerotolerans能够编码和表达与氧化应激相关的超氧化物歧化酶和过氧化氢酶，从而避免活性氧物种对细胞结构造成损害。基因组学分析发现，Ca.Loosdrechtia aerotolerans能够编码具有特定铜结合位点的多铜氧化酶（胆红素氧化酶），基因的异源表达和蛋白质分离纯化分析表明Ca.Loosdrechtia aerotolerans能够利用多铜氧化酶氧化胆红素来缓解氧气胁迫。参与Anammox代谢的酶主要分布于厌氧氨氧化体，而细胞质中合成的胆红素氧化酶可以跨膜转运至厌氧氨氧化体，并通过氧化有机物过程清除从周围环境中扩散进入的氧气，从而减少氧气对Anammox菌关键酶活性的抑制。M.OSHIKI等的研究也表明，能够产生高浓度胆红素氧化酶的Ca.Brocadia caroliniensis和Ca.Kuenenia fulgida具有更高的氧气耐受性。此外，研究还发现Anammox菌的基因组中存在抗氧化基因，Ca.Kuenenia和Ca.Scalindua可能通过编码产生cbb3型细胞色素c氧化酶清除细胞中的氧气，从而提高Anammox菌对氧气的耐受能力。此外，在颗粒污泥或生物膜系统中氨氧化细菌主要生长在污泥的表层，而Anammox菌位于污泥内部，当溶解氧浓度较低时，表层的氨氧化细菌消耗了大部分向污泥内部扩散的氧气，从而使得污泥内部的Anammox菌处于厌氧或缺氧的微环境，但当反应器内的溶解氧质量浓度大于1 mg/L时，其扩散速度远大于生物膜表层的氨氧化细菌对氧气的消耗速度，生物膜内部多余的氧气将对Anammox菌产生明显的抑制作用。因此，根据微生物的氧亲和力差异，颗粒污泥或生物膜形式的载体有利于避免Anammox菌受到溶解氧的抑制。