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▲ 图4. DAMO可能的代谢途径
Haroon等[12]报道了ANME-2d同时具备了甲烷厌氧氧化和硝氮还原的代谢途径,能够通过逆向产甲烷过程活化甲烷并将硝氮还原为亚硝氮;而Ettwig等[13]发现在没有古菌参与的厌氧条件下,一种属于NC10门的细菌Methylomirabilis oxyfera能够将亚硝氮还原并利用某种未知的NO歧化酶进一步将NO歧化为N2和O2,而O2则被单加氧酶利用氧化甲烷,从而独立完成亚硝氮依赖型的甲烷厌氧氧化过程。除此之外,一些氧化态金属阳离子也被证实能够驱动甲烷的厌氧氧化。Ettwig等在实验室反应器中成功富集到了能够独立氧化甲烷并还原Fe3+和Mn4+的甲烷氧化古菌[14]。曾建雄教授团队[15]也报道了甲烷厌氧氧化耦合铬酸盐还原的现象,不同的是,该过程是由甲烷氧化古菌和铬酸盐还原菌协同完成。甲烷氧化首先需要特殊的酶(甲烷单加氧酶和甲基辅酶M还原酶)来活化甲烷,这使得甲烷参与的氧化物还原耦合过程通常需要两类菌(甲烷氧化菌和功能还原菌)来协同完成。
受启发于甲烷氧化耦合反硝化,DAMO菌群也被用来尝试进行甲烷氧化耦合其他氧化态污染物的还原。研究团队分别尝试以铬酸盐、硒酸盐、锑酸盐及高氯酸盐为电子受体进行甲烷氧化过程,取得了不错的效果[16-19]。在微氧情况下,微生物可以利用甲烷作为电子供体将六价铬还原至三价,还原率达到95%。微生物群落分析结果表明应该是Methylosinus (一种Type II 型甲烷氧化菌) 和Meiothermus(潜在铬酸盐还原菌)执行了甲烷氧化耦合铬酸盐还原这一过程。如图5,甲基氧化菌通过氧化甲烷产生的中间代谢产物被铬酸盐还原菌利用来还原铬酸盐,并生成Cr(III)沉淀[17]。同样,硒酸盐也可以作为甲烷氧化的电子受体,其还原产物主要为单质硒。当硒酸盐负荷为1 mg/L时,其还原率可达到100%[18]。
▲ 图5. 甲烷氧化耦合铬酸盐还原的可能机理
高氯酸盐作为电子受体时,如图6所示,MBfR可将5 mg/L 的ClO4-还原至检限以下,并且在硝氮存在的情况下,ClO4-也能得到一定的还原。基于理化数据及基因分析,我们认为高氯酸盐的还原不同于铬酸盐或硒酸盐,而是和DAMO过程中的“内微氧”途径类似,即微生物将高氯酸盐逐步还原为亚氯酸盐,而亚氯酸盐歧化酶可以将亚氯酸盐歧化为氧气和氯离子,而氧气又可被微生物利用来活化甲烷[19]。
▲ 图6. (A)进出水中NO2-、NO3-和ClO4-浓度;(B) NO2-、NO3-和ClO4-的去除率
研究团队还发现,在甲烷氧化过程中,微生物会产生大量的碳源和储能物质PHA、EPS等,PHA具有高熔点、高机械强度等优越性能,能够代替塑料在多种工业和生活中应用,且易分解不会造成环境污染。EPS是一定环境条件下微生物分泌于体外的一种高分子黏性聚合物,广泛应用于矿物加工、医药工程和食品工业等。甲烷氧化耦合锑酸盐、硒酸盐还原过程中也会产生一些特性优良的纳米微晶如Sb2O3、单质Se等,这些物质都可以通过技术回收来实现废水处理中碳的资源化利用。
4 基于甲烷的污染物生物还原技术应用潜力
自甲烷氧化耦合反硝化现象首次被报道以来,经过短短十余年的发展,甲烷在实际废水处理中已经展现出较大的应用潜力。基于甲烷的污染物生物还原技术首要面临的难题是甲烷溶解度低,导致其生物利用效率低。为此,研究团队利用甲烷基质膜生物反应器(如图7)来进行甲烷氧化耦合铬酸盐、硒酸盐、锑酸盐及高氯酸盐等的还原。
▲ 图7. 甲烷基质膜生物反应器:连续流MBfR(A)和序批式MBBR(B)
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