浙江大学学报(农业与生命科学版) 35(5):473~481,2009 Journal of Zhejiang University(Agric.&Life Sci.) 文章编号:1008—9209(2009)05—0473 09 DOI:10.3785/j.issn.1008—9209.2009.05.001 厌氧氨氧化菌的特性与分类 郑平,张蕾 (浙江大学环境与资源学院环境与工程系,浙江杭州310029) 摘要:厌氧氨氧化是环境领域和微生物领域的一个重大发现,对于认识氮素生物地球化学循环、丰富 微生物学理论和开发新型生物脱氮工艺均具有巨大的推动作用.近年来对厌氧氨氧化茵的研究取得了 许多突破性成果,探明了个体形态特征、细胞化学组分特征、富集培养与分离特征、生理生化特征以及生 态学特征,提出了厌氧氨氧化代谢模型,纯化研究了多种厌氧氨氧化酶,分离获得和分类鉴定了5属9 种厌氧氨氧化菌,建立了厌氧氨氧化茵科(Anammoxaceae).本文系统介绍了厌氧氨氧化菌的特性,详细 描述了9种已被鉴定的厌氧氨氧化茵. 关键词:厌氧氨氧化茵 形态;生理;生化;种类 文献标志码:A 中图分类号:Q 939.9;X 53 ZHENG Ping,ZHANG Lei(Department of Environmental Engineering,College of Environmental and Resource Sciences,Zhejiang University,Hangzhou 310029,China) Characterizati0n and classification of anaerobic ammonium oxidation(anammox)bacteria. Journal of Zhejiang University(Agric.&Life Sci.),2009,35(5):473—481 Abstract:Anaerobic ammonium oxidation(anammox)iS one of important discoveries in both environmental and micr0biological fields. It supplements biogeochemistry of nitrogen cycle in nature, extends microbial diversity and urges development of novel nitrogen removal biotechnology.Recently, plenty breakthroughs have been made in the research of anammox bacteria.Their properties in bacterial morphology,cytochemistry,enrichment and isolation,physiology and biochemistry,ecology were revealed,and probable metabolic models were proposed,and the important enzymes were purified and characterized.A family of Anammoxaceae including five genus,nine species has been established.This paper is a systematic review in the features of anammox bacteria and the nine identified species. Key words:anammox bacteria;morphology;physiology;biochemistry;species 在厌氧条件下,以亚盐作为氧化剂将氨 氧化成氮气的生物反应称为厌氧氨氧化 .1995 年,由荷兰Mulder等 首先在一个处理酵母废 水的反硝化中试装置内发现该反应过程.此后, 检测出厌氧氨氧化反应,并认为它在氮素生物地 球化学循环中起着举足轻重的作用.据估计,其 氮气产量占海洋氮气释放量的3O ~5o% . 在环境工程上,厌氧氨氧化反应已成功地应用于 废水生物脱氮处理.据报道,在荷兰鹿特丹污水 人们陆续在海洋、河流、湖泊底泥等自然环境中 收稿日期:2008—08—12 基金项目:国家自然科学基金资助项目(30770039) 国家高技术研究发展计划“863”资助项目(2006AA06Z332) 作者简介:郑平(1962),男,浙江金华人,教授 从事废物生物处理研究Tel:0571—86971 709;E—mail:pzheng@zju edu.eft. 浙江文学学报(农业与生命科学版) 第3 5卷 处理厂,利用厌氧氨氧化工艺对污泥压滤液进行 脱氮处理,反应器总氮去除率高达9.5 kg.m . d [5],显示了诱人的应用前景.厌氧氨氧化的推 动者一一厌氧氨氧化菌是一群分支很深的浮霉 状菌,其特殊的细胞结构、代谢方式和进化地位 引起了生物学家的高度关注.本文拟就厌氧氨氧 化菌的研究进展作一综述. 1 厌氧氨氧化菌的特性 1.1个体形态特征 厌氧氨氧化菌形态多样,呈球形、卵形等, 直径0.8~1.1 m_6].厌氧氨氧化菌是革兰氏 阴性菌.细胞外无荚膜.细胞壁表面有火山口状 结构[7],少数有菌毛l6 .细胞内分隔成3部分: 厌氧氨氧化体(anammoxosome)、核糖细胞质 (rihoplasm)及外室细胞质(paryphoplasm).核 糖细胞质中含有核糖体和拟核,大部分DNA 存在于此L8j.该菌出芽生殖. 厌氧氨氧化体是厌氧氨氧化菌所特有的结 构,占细胞体积的50 ~80 ,厌氧氨氧化反 应在其内进行 ].厌氧氨氧化体由双层膜包围, 该膜深深陷入厌氧氨氧化体内部 (图1).厌 氧氨氧化体不含核糖体,但含六角形的管状结 构和电子密集颗粒.透射电镜及能谱仪分析表 CW:细胞壁;cm:细胞膜;pa:外室细胞质;icm:胞 质内膜;ri:核糖细胞质;am:厌氧氨氧化体膜;a:厌氧氨 氧化体.长箭头:管状结构;短箭头:电子密集颗粒 图1厌氧氨氧化菌细胞的超微结构图 Fig.1 U【trastructure 0f BP ̄alTITD,OX bacterial cell 明,这些电子密集颗粒中含有铁元素。。j. 1.2细胞壁和细胞膜化学组分特征 厌氧氨氧化菌的细胞壁主要由蛋白质组成, 不含肽聚糖.细胞膜中含有特殊的阶梯烷膜脂, 由多个环丁烷组合而成,形状类似阶梯_1 .在各 种厌氧氨氧化菌中,阶梯烷膜脂的含量基本相 似.疏水的阶梯烷膜脂与亲水的胆碱磷酸、乙醇 胺磷酸或甘油磷酸结合形成磷脂,构成细胞膜的 骨架.细胞膜中的非阶梯烷膜脂由直链脂肪酸、 支链脂肪酸、单饱和脂肪酸和三萜系化合物组 成.三萜系化合物包括C2 的藿烷类化合物 (hopanoid),细菌藿四醇(bacteriohopanetetrol, BHT)和鲨烯(squalene,C3o H5。).其中,BHT首 次发现于严格厌氧菌中 .在不同厌氧氨氧化 菌种中,非阶梯烷膜脂的种类和含量变化较 大_1 .曾一度认为阶梯烷膜脂只存在于厌氧氨 氧化体的双层膜上,其功能是有毒中间产物 的扩散.目前认为阶梯烷膜脂存在于厌氧氨氧化 菌的所有膜结构上(包括细胞质膜),它们与非阶 梯烷膜脂相结合,以确保其他膜结构的穿透性好 于厌氧氨氧化体膜_1 ]. 1.3富集培养与分离特征 厌氧氨氧化菌的富集培养选用自然样品作 为接种物(如活性污泥、海洋底泥、土壤),按目 标菌群所需的最佳生境条件,以含有适量基质 和营养元素的培养液(表1)在生物反应器中进 行[7].厌氧氨氧化菌生长缓慢,倍增时问10~ 30 d[8].富集培养物呈红色,性状粘稠,含有较 多的胞外多聚物ll . 厌氧氨氧化菌是一种难培养的微生物,采 用系列稀释分离、平板划线分离、显微单细胞分 离等传统微生物分离方法,均未分离成功.迄今 为止,密度梯度离心法是成功分离厌氧氨氧化 菌的唯一方法.其原理是通过离心使不同密度 的细菌细胞形成不同的沉降带[1 .具体操作方 法如下:首先,用超声波温和破碎厌氧氨氧化菌 富集培养物,将菌群分散成单个细胞;接着,离 心去除残留的聚集体(生物膜或絮体碎片);最 后,将分散的细胞用Percoll密度梯度离心,使 厌氧氨氧化菌在离心管内形成一条深红色条 带.采用该方法可获得高纯度的细胞悬液,每 200 800个细胞中可只含有1个污染细胞L1 . 第5期 郑平,张蕾,等:厌氧氨氧化菌的特性与分类 表1 富集厌氧氨氧化菌的营养元素组成 Table 1 Nutrients used for anammox bacteria enrichment 营养物 质量浓度/(g.I ) KH2PO4 CaC1, MgSO4 7H2() KHC03 微量元素溶液I EDTA FeSO4 微量元素溶液II EDTA H 3BO4 MnCl2 4H z() CuSO4.5H2O ZnSO4.7H2() NiCI2.6H2o NaMoO4.2H 2O NaSeO4 1OH2O 1.4生理生化特征 厌氧氨氧化菌为化能自养型细菌 ],以二 氧化碳作为唯一碳源,通过将亚氧化成硝 酸来获得能量,并通过乙酰一CoA途径同化二氧 化碳口 .虽然有的厌氧氨氧化菌能够转化丙 酸、乙酸等有机物质,但它们不能将其用作碳 源_1 。 .厌氧氨氧化菌对氧敏感,只能在氧分 压低于5 氧饱和(以空气中的氧浓度为 100 ,o4)的条件下生存,一旦氧分压超过18 氧 饱和,其活性即受抑制,但该抑制是可逆 的_】 .厌氧氨氧化菌的最佳生长pH范围为 6.7~8.3,最佳生长温度范围为20~43℃¨7]. 厌氧氨氧化菌对氨和亚的亲和力常数都低 于l×10 g N.I _]9].基质浓度过高会抑制 厌氧氨氧化菌活性ll (表2). 表2基质对厌氧氨氧化菌的抑制浓度 Table 2 Inhibition concentrations of nitrogenous substrates on anammox bacteria mmo1.L 注:半抑制浓度代表抑制50 厌氧氨氧化活性的基质 浓度 1997年,van de Graft等 。 基于 N示踪 研究,提出了厌氧氨氧化菌代谢模型(图2);基 于厌氧氨氧化菌基因组学和酶学研究,其他研 究者_2 对此代谢模型作了修正(图3).2种模 型的最大区别在于:前者认为亚的还原产 物是羟氨(NH OH),后者则认为亚的还 原产物是No.根据改进的模型,亚先被含 有细胞色素c(Cyt C)和细胞色素d1的亚 还原酶(NiR)还原成一氧化氮(NO。一+e— NO);再由联氨水解酶(HH)将一氧化氮与氨 结合成联氨(NO+NH +3e一一N H );最 后由联氨氧化酶(HZO)或羟氨氧化还原酶 (HAO)将联氨氧化成氮气(N:H 一N + 4e).在联氨氧化成氮气的过程中,可产生4 个电子,这4个电子通过细胞色素C、泛醌、细 胞色素bcl复合体以及其他细胞色素C传递给 NiR和HH,其中3个电子传递给NiR,1个电 子传递给HH.伴随电子传递,质子被排放至厌 氧氨氧化体膜外侧,在该膜两侧形成质子梯度, 驱动ATP合成[23 28]. N02 图2基于”N示踪研究的代谢途径 Fig 2 Metabolic pathway based on 。N study HAo和HZO是厌氧氨氧化菌中研究的 较为深入的2种酶.HAO广泛存在于好氧氨 氧化细菌、反硝化细菌等微生物中,它不但能够 催化羟氨氧化成亚,也能够将亚还原 为羟氨,还能催化氧化联氨¨1].从厌氧氨氧化菌 中分离获得的HA0不同于从好氧氨氧化细菌 中获得的HAO,它不能将羟氨转化成亚, 只能将其转化成NO或N。O.已被纯化的 HAo有2种,虽然两者的分子量和亚单位不 同,但是均含大量C型血红素[16个和(26土4) 个]和P 细胞色素.该酶也能催化氧化联氨, 浙江大学学报(农业与生命科学版) 第3 5卷 但对羟氨的亲和力更强 '。 (表3).HZO也已 联氨,不能催化氧化羟氨.但羟氨能与该酶结 从厌氧氨氧化菌中分离纯化,它只能催化氧化 合,从而对联氨产生竞争性抑制 . cel1 wall cytoplasmic membrane paryphoplasm intracytoplasmic membrane riboplasm nucleoid 图3基于基因组学和酶学的代谢途径 Fig.3 Metabolic pathway based on genomics and enzymology 表3厌氧氨氧化菌HAO和HZO酶的特性 Table 3 Characteristics of HAO and HZO purified from anammox bacteria 注:a以PBS和MTT为电子受体; 以细胞色素C为电子受体;ND:未检出;NR:未报道 1.5生态学特征 氧氨氧化球菌(Candidatus Anammoxoglobus 目前发现的厌氧氨氧化菌有5个属,9个 sulfate)”分离自污水处理厂构筑物或实验室反 种lL1 (图4).“待定厌氧氨氧化布罗卡地菌 应器内[1 ’29 34;;“待定黑海阶梯烷菌(Candidatus (Candidatus Broeadia anammoxidans)”,“待定荧 Scalindua sorokinii)”分离白海水中 .检测表 光布罗卡地菌(Candidatus Brocadia fulgida)”, 明,厌氧氨氧化菌也存在于海岸、浅滩、人河口的 “待定斯图加特库氏菌(Candidatus Kuenenia 底泥中.厌氧氨氧化菌的分布极其广泛_3 。 . stuttgartiensis)”,“待定布罗达氏阶梯烷菌 由于厌氧氨氧化同时需要氨和亚2种 (Candidatus Scalindua brodae)”,“待定韦格氏阶 基质,在实验室反应器中或在污水厂构筑物中, 梯烷菌(Candidatus Scalindua wagneri)”,“待定 当溶解氧浓度较低时,厌氧氨氧化菌可与好氧 亚洲杰特氏菌(Candidatus Jettenia asiatica)”, 氨氧化菌共同存在,互惠互利.好氧氨氧化菌产 “待定丙酸厌氧氨氧化球菌(Candidatus 生的亚用作厌氧氨氧化菌的基质,而厌氧 Anammoxoglobus propionicus)”,“待定硫酸盐厌 氨氧化菌消耗亚,则可解除亚对好氧 第5期 郑平,张蕾,等:厌氧氨氧化菌的特性与分类 氨氧化菌的抑制Dg]. (PCR)、变性梯度凝胶电泳(DGGE)、克隆测序 对厌氧氨氧化菌的生态学研究主要依赖分 和荧光原位杂交(FISH).在厌氧氨氧化菌生态 子生物学手段,其中包括聚合酶链式反应 学研究中常用的PCR引物m, ’们。 列于表4. Candidatus‘Anammoxoglobus propionicus’ 图4厌氧氨氧化菌的系统发育树 Fig.4 Phylogenetic tree of anammox bacteria 表4研究厌氧氨氧化菌生态学常用的PCR引物 Table 4 PCR primers usually used in ecological research of anammox bacteria 目标菌群 上游引物名称 上游引物序列 下游引物名称 下游引物序列 厂,名字中的“Brocadia”、“anammoxidans”分别 2 厌氧氨氧化菌的分类 指发现地和代谢方式 .它是第一个被富集鉴 定的厌氧氨氧化菌种,也是“Candidatus 浮霉状菌目(Planctomycetales)是细菌域中 分化较早的一个分支.该目包括2个科,9个属, 分别为Planctomyces,Pirellula,Gemmata, Isosphaera,Candidatus Brocadia,Candidatus Kuenenia, Candidatus Scalindua, Candidatus Jettenia,Candidatus Anammoxoglobus.其中,前 4个属归入浮霉状菌科(Planctomycetaceae),皆 为化能异养型好氧菌,后5个属归入厌氧氨氧化 菌科(Anammoxaceae),皆为化能自养型厌氧菌, 图5 Candidatus Brocadia anammoxidans茵落的电 并具有厌氧氨氧化功能_4 “]. 子显微镜照片 2.1 Candidatus Brocadia anammoxidans Fig.5 Microscopic graph of Candidatus Brocadia 该种发现于荷兰Gist—Brocades污水处理 anamrnoxidans colonies 浙江大学学报(农业与生命科学版) 第3 5卷 Brocadia”属的代表种.菌体呈球形,具有前述 厌氧氨氧化菌的细胞结构特征,如细胞表面有 火山口状结构,内含厌氧氨氧化体,无荚膜,无 鞭毛和菌毛[7 (图5).细胞膜含阶梯烷膜脂,约 占细胞总脂类的34Uol .以亚为能源,以 1二氧化碳为碳源,不能利用小分子有机酸类,如 “stuttgartiensiS,,是该菌的发现地_3 .该菌呈球 状,直径1肚m左右(图6).化能自养型 不能利 用甲酸、丙酸等有机酸.菌体具有前述厌氧氨氧 化菌的细胞结构特征.在细胞中,阶梯烷膜脂占 细胞总脂类的45 [1 .已从该菌体内分离获得 HAO和HZ0,前者能同时氧化羟氨和联氨,后 者只能氧化联氨.该菌在GenBank中的注册号 甲酸、丙酸等.倍增时间11 d,最佳生长pH 8, 最佳生长温度4O℃ '删.已从该菌体内分离获 得分子量为(183±12)ku的HAO,并证明它 能同时氧化羟氨和联氨 .它在GenBank中 的注册号为AF375994. 2.2 Candidatus Brocadia fulgida 该种发现于荷兰鹿特丹污水处理厂,名字 中的“fulgida”来源于英语中“fulgid”一词,意为 “灿烂的,闪耀的”,因这种细菌形成的胞外多聚 物能够发光而命名l_3 .细胞呈球形,直径 0.741 tam.该菌为化能自养型厌氧菌,以亚硝 酸为能源,以二氧化碳为碳源,同时能以亚 或为电子受体氧化甲酸、丙酸、单甲胺和二 甲胺,但这些有机物并不用于细胞物质的合 成¨1 .菌体具有前述厌氧氨氧化菌的细胞结构 特征.在细胞膜中,阶梯烷膜脂占细胞总脂类 63 .16S rRNA序列分析表明,该菌与 “Candidatus Brocadia anamoxidans”的相似性 最高,达94 _ 1.它在GenBank中的注册号 为DQ459989. 2.3 Candidatus Kuenenia stuttgartiensis 该种发现于生物滤池中,名字中 “Kuenenia”是在厌氧氨氧化领域作出杰出贡献 的荷兰微生物学家J.Gijs Kuenen的姓氏, 图6 Candidatus Kuenenia stuttgartiensis菌落的电 子显微镜照片 Fig.6 Microscopic graph of Candidatus Kuenenia stuttganiensis colonies 为AF375995. 2.4 Candidatus Scalindua brodae和Candidatus Scalindua wagneri 两菌都发现于英国Pitsea垃圾填埋场的 污水处理厂,它们名字中的“Scalindua”表示细 菌细胞中具有阶梯烷,“brodae”和“wagneri”是 为了纪念厌氧氨氧化反应的第一个预言者—— 奥地利理论化学家Engelbert Broda以及为厌 氧氨氧化菌生态学和系统发育学研究作出贡献 的德国微生物学家Michael Wagnerl_3。]而命名. 两菌均为化能自养型的兼性厌氧菌.菌体呈球 形,直径大约1 tam(图7).它们能以亚为 电子受体氧化氨,以二氧化碳为唯一碳源;能将 羟氨转化成联氨.菌体具有前述厌氧氨氧化菌 的细胞结构特征,细胞膜含有阶梯烷膜脂,细胞 内拥有厌氧氨氧化体.在Scalindua brodae菌 落中,细胞排列松散;而在Scalindua wagneri 菌落中,细胞排列紧密.两菌之间16S rRNA序 列的相似度为93 _3 .它们在GenBank中的 注册号分别为AY254883和AY254882. B 图7 Candidatus Scalindua brodae (A) 和 Candidatus Scalindua wagneri(B)菌落的电子 显微镜照片 Fig.7 Microscopic graph of Candidatus Scalindua brodae (A)and Candidatus Scalindua wagneri(B) COlOnies 第5期 郑平,张蕾,等:厌氧氨氧化菌的特性与分类 2.5 Candidatus Scalindua sorokinii 该种发现于黑海的次氧化层区域,是第一 个在自然生态系统中发现的厌氧氨氧化菌 种 ,化能自养型,能利用亚将氨氧化形 成氮气,以二氧化碳为唯一碳源.菌体具有前述 厌氧氨氧化菌的细胞结构特征,其厌氧氨氧化 体膜含有阶梯烷脂.16S rRNA序列分析表明, 该菌与“Brocadia anammoxidans”、“K uenenia stuttgartiensis”的相似度分别为87.6%和 87.9 .它在GenBank 中的注册号 为AY257181. 2.6 Candidatus Jettenia asiatica 该种发现于实验室生物膜反应器中,属名 “Jettenia”是在厌氧氨氧化领域作出杰出贡献 的荷兰微生物学家Mike S.M.Jetten的姓氏, 种名“asiatica”是该菌的发现地“asia” .菌 体具有前述厌氧氨氧化菌的细胞结构特征.最 佳生长pH 8.0~8.5,最佳生长温度3O~35 ℃,能够耐受的亚浓度高于7 mmo1.L_。. 基因序列分析表明,该菌含有HZO.16S rRNA 序列分析表明,该菌与“Brocadia”、 “Kuenenia”、“Scalindua”、“Anammoxoglobus’’ 的相似性低于94 .它在GenBank中的注册 号为DQ30l513. 2.7 Candidatus Anammoxoglobus propionicus 该种从实验室SBR反应器中富集得到,名 字中的“propionicus”代表该菌的代谢方式口 . 化能自养型,但能以亚或为电子受体 氧化甲酸、丙酸,能将羟胺转化成联氨.菌体具 有前述厌氧氨氧化菌的细胞结构特征.在细胞 中,阶梯烷膜脂占细胞总脂类的24 ㈨.它在 GenBank中的注册号为DQ3176O1. 2.8 Candidatus Anammoxoglobus sulfate 该种从实验室生物转盘反应器中富集得 到,名字中的“sulfate”指代谢方式_3 .该菌的 代谢方式不同于一般厌氧氨氧化菌,能以氨为 电子供体,以硫酸盐为电子受体,将2种基质转 化为氮气和单质硫.16S rRNA分析表明,它是 浮霉状菌目中的一个种.目前未见对这种细菌 细胞形态、化学组分、代谢途径、生理生化等方 面的研究报道. 3 结 语 厌氧氨氧化是环境领域和微生物领域的一 个重大发现,对于认识氮素地球化学循环,丰富 微生物学内容,开发新型生物脱氮工艺均具有 巨大的推动作用.经历种种波折后,近年来对于 厌氧氨氧化菌的研究取得了许多突破性成果, 探明了个体形态特征、细胞化学组分特征、富集 培养与分离特征、生理生化特征和生态学特征, 提出了厌氧氨氧化的代谢模型,纯化研究了多 种厌氧氨氧化酶,分离获得了5属9种厌氧氨 氧化菌,建立了厌氧氨氧化菌科 (Anammoxaceae).这些成果的取得为自然界 氮素转化理论的深入和氮素转化过程的应用打 下了良好基础. 由于厌氧氨氧化菌生长极其缓慢,传统的 微生物学研究方法已不能满足对厌氧氨氧化菌 研究的要求,迫切需要方法创新,并重点开展如 下研究:1)建立有效的厌氧氨氧化菌分子探 针,探明其在自然生态系统中的分布,确定该菌 在氮素生物地球化学循环中的重要作用;2)继 续分离亚还原酶、联氨氧化酶、羟氨氧化还 原酶、联氨水解酶等厌氧氨氧化酶,搞清厌氧氨 氧化代谢途径;3)着手厌氧氨氧化菌的基因组 学和蛋白质组学研究,为厌氧氨氧化菌的种质 改良创造条件. 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