厭氧氨氧化細菌發(fā)現(xiàn)者20年后的新發(fā)現(xiàn) /荷蘭在Utrecht市開始建設(shè)規(guī)模達6.4萬m3/d的好氧...
《自然》熱點 | 厭氧氨氧化細菌發(fā)現(xiàn)者20年后的新發(fā)現(xiàn)
原創(chuàng) 2016-04-22 瓦村農(nóng)夫 奧尼卡水處理創(chuàng)新部落
學(xué)術(shù)星期四 Vol.7厭氧氨氧化在污水處理界的熱度持續(xù)不減，除了因為它在工程應(yīng)用上節(jié)能降耗的巨大吸引力之外，瓦村農(nóng)夫我認為還有另外一個原因——就是它的未知處還很多很多。在一些微信群里，我居然還能夠看到有些從事污水工程的人對厭氧氨氧化工藝的懷疑。作為理科男出身的我對此雖然表示理解，但也覺得很遺憾——因為這樣的質(zhì)疑表明大家獲取信息的途徑還很匱乏。
因此小編決定在今天的“學(xué)術(shù)星期四”跟大家分享一篇近日發(fā)表于英國《自然》雜志的關(guān)于厭氧氨氧化的最新研究成果，然后再扒一扒研究團隊背后的大boss——那位在20年前發(fā)現(xiàn)了厭氧氨氧化菌存在的大?？茖W(xué)家:
荷蘭團隊發(fā)現(xiàn)厭氧氨氧化污水廠的新菌種早在十年前的2006年，荷蘭污水處理公司W(wǎng)aterstromen在荷蘭的Olburgen建造了一個厭氧氨氧化污水處理廠，這是當(dāng)時為不多的Anammox反應(yīng)器之一。它處理的是來自薯條制造工廠Aviko的廢水。
像我這種紙上談兵居多的理科男，對于教科書上說的Anammox菌的優(yōu)點已經(jīng)背的滾瓜爛熟了——它不僅能夠脫氮，而且跟傳統(tǒng)方法相比，更省錢、能耗更低。
但實際效果如何呢？畢竟要打動說服工程界的長輩們，必須拿出經(jīng)過時間考驗的案例。荷蘭的科學(xué)家也深喑此道，所以他們才選了這座已經(jīng)用厭氧氨氧化工藝運行了10年的污水廠來作為研究對象。
他們發(fā)現(xiàn)反應(yīng)器的表現(xiàn)甚至好過預(yù)期，并且對COD的去除也幫助良多。所以呢？這反應(yīng)器培養(yǎng)出來的顆粒污泥被運到世界各地的厭氧氨氧化污水廠，橫跨英國和中國，來幫助其快速啟動的工作，其中就包括了位于內(nèi)蒙古通遼的處理梅花味精廠廢水的反應(yīng)器。這可是至今小編所知的世界最大的厭氧氨氧化反應(yīng)器(6700 m3/d 11000 kg-N/d)。因為長途跋涉，“犧牲”掉的細菌也是哀鴻遍野的，所以當(dāng)年得把好幾頓的顆粒污泥從鹿特丹運到內(nèi)蒙古來保證有足夠量的生物質(zhì)來做接種。而如今，全球厭氧氨氧化的污水廠總數(shù)已經(jīng)超過100座，而且還在快速增長。
經(jīng)過十年的穩(wěn)定運行，是時候讓微生物學(xué)家打開這個厭氧黑匣子來搞清楚里邊的微生物的組成了。這樣才能幫助科學(xué)家和工程師進一步地改進厭氧氨氧化技術(shù)和早日實現(xiàn)它在市政污水處理上的應(yīng)用。來自荷蘭奈梅亨( Nijmegen) 的團隊用宏基因組學(xué)的方法來揭開謎底。
23種微生物“這里邊的微生物多樣性高得驚人，而我們實際上目前知道的還只是很小一部分，”這個研究的第一作者Daan Speth說，“在顯微鏡下這些微生物長得都很像，所以肉眼是分不清他們的區(qū)別的。通過分析反應(yīng)器中的DNA，我們可以分類出反應(yīng)器中23種最主要的微生物。這種方法目前還很新，我們是為數(shù)不多的使用這樣方法的研究團隊。”“我們發(fā)現(xiàn)我們現(xiàn)在所知道的菌種還只是那些可以在瓊脂上生長的細菌，而這個研究結(jié)果再次證實了還有很多不“吃”瓊脂的微生物的存在，”Daan Speth對他們的研究結(jié)果如此解說到 ，“但我們對此無法作太多評論，盡管我們已經(jīng)得到了他們的DNA序列。如果非要說我的理解，我認為這是些微生物‘寄生蟲’，是靠從反應(yīng)器里的其他微生物取食為生。但我們還需要時間來確認這是‘好’東西還是‘壞’東西?！?div id="fu8ihs5fyo3" class='imgcenter'>
另外他們也根據(jù)分析結(jié)果細化了厭氧氨氧化顆粒污泥的反應(yīng)機理(上圖)。值得一提的是，在他們的模型里，NOB(nitrite oxidizing bacteria)并不是扮演“惡棍”或者“壞蛋”的角色，它們未必會導(dǎo)致硝態(tài)氮的過量，相反這些生成的硝態(tài)氮可以充當(dāng)電子受體來協(xié)助有機質(zhì)的分解，或者在顆粒內(nèi)核里氧化氫氣等還原產(chǎn)物。
微生物“暗物質(zhì)”Daan所指的就是那些存在于微生物界的“暗物質(zhì)”。
那什么是微生物“暗物質(zhì)”(Microbial dark matter)?
簡單點說就是那些過去還沒在實驗室中進行過培養(yǎng)或測序的微生物。實際上傳統(tǒng)的微生物學(xué)研究的不過是微生物生命之樹的冰山一角而已。在很多情況中，大部分微生物都不能用傳統(tǒng)方法來培養(yǎng)?？茖W(xué)的進步使科學(xué)家可利用單細胞測序，讓來自單個細胞的DNA陡增十億倍，再破譯其基因組，進而為研究這些微生物界的“暗物質(zhì)”提供信息。這些技術(shù)也將大大加深大家對污水處理的認識。
那個發(fā)現(xiàn)了Anammox的荷蘭人上述研究的大老板是個叫Mike Jetten的荷蘭人，是位于荷蘭奈梅亨(Nijmegen)的Radboud大學(xué)的微生物學(xué)教授，同時也是TU Delft的教授。如果你在維基百科搜索“厭氧氨氧化”，你會發(fā)現(xiàn)他是唯一被提及的名字。他究竟有什么來頭？
30年前，Mike Jetten在荷蘭瓦赫寧根大學(xué)(Wageningen University)獲得了他的分子學(xué)碩士學(xué)位，1991年獲得了微生物博士的學(xué)位，隨后三年去了美國MIT攻讀博士后，然后回荷蘭皇家科學(xué)院(KNAW)和TU Delft開始他Anammox研究之旅。從1996年發(fā)現(xiàn)了Anammox菌到現(xiàn)在，整整20年過去了。2012年，因為發(fā)現(xiàn)了Anammox這一杰出貢獻，他獲得了斯賓諾莎獎（NWO Spinoza）——荷蘭科學(xué)界的最高榮譽，被稱為“荷蘭的諾貝爾獎”。每年一度的斯賓諾莎獎最多向4位世界頂尖的荷蘭科學(xué)家頒獎，這是荷蘭最享威望的科學(xué)類獎項。
科學(xué)界迄今為止發(fā)現(xiàn)了 9 個厭氧氨氧化菌種，分別歸在 5 個屬中，并建立了厭氧氨氧化菌科（Anammoxaceae）。其中一種由韓國的團隊發(fā)現(xiàn)，叫“Candidatus Jettenia asiatica”，正是以Mike的姓來命名的。Mike在這圈的地位也可見一斑。
在中國搞污水的圈子里，關(guān)于Anammox大家更熟悉的可能是荷蘭的帕克公司和TU Delft的教授Mark van Loosdrecht。后者將Anammox菌帶入了工程應(yīng)用領(lǐng)域，奠定了他日后一系列的成功的基礎(chǔ)。但往深扒一扒，會發(fā)現(xiàn)其實Mike可能才是背后更為關(guān)鍵的人物。在把Anammox投入工程實踐的過程中，帕克公司和Mike一直緊密合作?！拔覀兩钪悄莻€能把科研結(jié)果轉(zhuǎn)化為實踐的科學(xué)家，”當(dāng)年帕克的技術(shù)和工程總監(jiān)Jans Kruit (如今是Shanks固廢公司的技術(shù)經(jīng)理)如此評價Mike。
“We always thought that we understood the nitrogen cycle. Now we know that half of the nitrogen cycle runs though these bacteria,” Mike一直以探索未知的微生物世界為樂趣，除了Anammox，他還是甲烷厭氧氧化研究的領(lǐng)軍人物。他的文章經(jīng)常發(fā)表在Nature、Science等雜志上。2011年的《自然》報道了他用Anammox菌將尿液中的銨轉(zhuǎn)化為火箭燃料肼的研究進展，并一度引起了美國NASA宇航局的關(guān)注。
Mike說當(dāng)年剛開始Anammox研究的時候也被人嘲笑過，不過20年過去了，時間證明他選對了路。而他并沒有就此停息，他是個與時俱進的好學(xué)者，他大量使用TWITTER來主動接觸新媒體，更新他的研究進展和成果，還不時來一張自拍照。有興趣的朋友可以關(guān)注他的twitter賬號@msmjetten
最后再分享一個他接受歐盟科研創(chuàng)新基金項目的宣傳片的采訪視頻：
看完視頻，小編有個假想：把奧尼卡的FCR工藝和主流厭氧氨氧化工藝兩者結(jié)合，會不會是城市污水處理的又一新方向？這可不是說笑，說不準哪天就成真了？
參考文獻https://zh.wikipedia.org/wiki/厭氧氨氧化菌
Genome-based microbial ecology of anammox granules in a full-scale wastewater treatment system. Daan R. Speth, Michiel H. in ’t Zandt, Simon Guerrero-Cruz, Bas E. Dutilh & Mike S.M. Jetten. Nature Communications 31 March 2016. DOI: 10.1038/ncomms11172
http://www.ru.nl/english/news-agenda/vm/nature-environment/2016/new-bacteria-from-anammox-wastewater-treatment/
http://www.bionieuws.nl/artikelen/nieuwe-soorten-in-patatwater/?platform=hootsuite
http://de.paques.nl/news/news/mike-jetten-awarded-with-spinoza-prize-for-discovery-of-anammox-bacteria!/9
注：上周“學(xué)術(shù)星期四”推薦了本新書《污水處理的實驗方法(Experimental Methods in Wastewater Treatment)》后，收到了很多讀者詢問如何下載到其英文版的電子書。上周IWA國際水協(xié)通過其微信公眾號告知大家“本書印刷版將于2016年5月15日正式推出，請您屆時訪問IWA出版社網(wǎng)站www.iwapublishing.com 購買正版”。但想迫不及待獲取此書的朋友，可以通過以下官方網(wǎng)址進行下載：
http://www.iwapublishing.com/books/9781780404745/experimental-methods-wastewater-treatment
【 來源：奧尼卡水處理創(chuàng)新部落】
【顛覆性技術(shù)重大工程應(yīng)用進展】荷蘭在Utrecht市開始建設(shè)規(guī)模達6.4萬m3/d的好氧顆粒污泥污水廠！
原創(chuàng) 2016-04-22 劉智曉整理 水進展
Dutch constructors Heijmans and GMB have been contracted by water board De Stichtse Rijnlanden to build a new municipal waste water treatment plant in Utrecht.
The project comprises the design, construction and 10-year maintenance of the plant. The DBM-contract (design, build, maintenance) is valued at over 120 million euro.
With an average capacity of 430.000 population equivalent and 64.400 m3/day it will be the largest Nereda plant in the Netherlands.
這座采用好氧顆粒污泥技術(shù)的污水廠，規(guī)模為430000人口當(dāng)量，64400m3/day的處理規(guī)模，是，目前荷蘭最大的好氧顆粒污泥項目。大規(guī)模的好氧顆粒污泥技術(shù)應(yīng)用推進標志著的該技術(shù)的日趨成熟。
The installation will be designed to handle a peak flow of 13.200 m3 per hour.
與采用活性污泥工藝相比好氧顆粒污泥可以減少空間需求（灰色區(qū)域建設(shè)的平面占地）
采用Nereda技術(shù)省掉灰色區(qū)域及沉淀池.
Stringent effluent criteria
Heijmans-GMB were awarded the contract by De Stichtse Rijnlanden on the basis of its choice for a compact plant that makes use of Nereda technology to purify the municipal waste water, meeting stringent effluent requirement.
Two important effluent parameters are for nitrogen (Ntotal: 5 mg/l) and phosphate (Ptotal: 0,5 mg/l).
采用該技術(shù)，出水TN可以達到5mg/L, TP可以達到0.5mg/L。
Ten-year maintenance
Construction work to rebuild the current obsolete wwtp (on top photo) that was built in 1959, will commence in 2017. Project completion is scheduled for the beginning of 2019, after which the 10-year maintenance period will commence.
The new wwtp will remove twice as much nitrogen and phosphate from the water, and is 30 per cent more energy efficient compared to the current plant.
The existing plant will be removed from service once the new plant has been commissioned.
Big step scaling up Nereda technology
For supplier Royal HaskoningDHV it will be an important new step in scaling up its Nereda technology. The biggest Nereda-plant in the Netherlands at this moment is wwtp Gamerswolde with an average daily flow of 30.000 m3 and a calculated capacity of 140.000 p.e.
In the Netherlands nine Nereda-plants are currently operational of which four are municipal and five industrial.
荷蘭目前有9座好氧顆粒污泥廠，其中4座市政污水廠，5座工業(yè)廢水處理項目。
Under design in Brasil is even a larger Nereda plant. Next year the Nereda installation at wwtp Jaboatao, Recifi will be commissioned and will have a daily average flow of 109.683 m3 and 858.333 p.e.
目前正在巴西設(shè)計建設(shè)的采用Nereda技術(shù)的污水廠規(guī)模8.6萬m3/d，但是明年建設(shè)的Jaboatao污水廠規(guī)模將達到10.9萬噸/d，將會刷新這一紀錄！
This news item is based on an original publication at the websites of GMB (in Dutch only) and Heijmans.
附件資料： 巴西Deodoro污水廠
Brazil - Deodoro, Rio de Janeiro
Facts & Figures
ClientOdebrecht Ambiental
Wastewater type Municipal
Location & start-up Deodoro, Rio de Janeiro, Brazil, 2016
Average capacity 86,400 m3/day │ 480,000 p.e. (54 g BOD)
Peak Flow6,120 m3/hour
Pre-treatmentGrease & grit removal, screening
The existing aeration tanks are reused as buffer tanks.
About the Rio de Janeiro - Deodoro WWTP
In 2016 the Rio de Janeiro, Deodoro wastewater treatment plant based on Nereda technology will be opened. This plant will be the largest Nereda to become operational so far.
Image: the Nereda wastewater treatment plant under construction
Image: Artist impression of the Nereda wastewater plant in Deodoro, Rio de Janeiro
來源：水進展
