醌氧化还原介质对厌氧氨氧化生物活性的影响全解.docx

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醌氧化还原介质对厌氧氨氧化生物活性的影响全解

醌氧化还原介质对厌氧氨氧化生物活性的影响

锦集

RMS通过厌氧氨氧化生物抑制TN的去除性能

RMs可以显著提高厌氧氨氧化菌关键酶的活性

RMs是推断发挥作用的Q/QH2在厌氧氨氧化过程

作为主要的原因，可能会阻止ladderaneRMs和关键酶之间的联系

文章信息

1.文章历史

2013年9月修订

2013年10月31日修订编版

2013年11月1日被接受

2013年11月10日在网上发布

2.关键词

厌氧氨氧化

氧化还原介质

肼脱氢酶

亚硝酸盐还原酶

硝酸还原酶

3.摘要

本研究首先探讨厌氧氨氧化生物/关键酶和醌的氧化还原介质之间的活动关系，其中蒽醌-2,6-二磺酸（AQDS），2-羟基-1,4-napthoqui-无（LAW）和蒽醌-2-羧酸（AQC）。

实验结果表明，总脱氮性能随三种氧化还原介质（RMS）用量的增加而呈下降趋势。

例如，当AQC增加到0.8毫米，TN的去除率急剧减少到17.2mg-N/gVSS/h，只能控制大约20%。

这种现象可能是微生物中毒与细胞外的RM增加而引起的。

然而，粗肼脱氢酶，亚硝酸盐还原酶，和硝酸还原酶的活性增强比没有RMS的对照实验约0.6-3倍。

RMS被推断在厌氧氨氧化过程中发挥辅酶/泛醌（Q/QH2）作用。

此外，具体ladderane膜结构可以阻隔RMS和厌氧氨氧化膜内的关键酶。

主要原因可能是RMS对厌氧氨氧化生物和关键酶的反向影响。

1.简介

厌氧氨氧化（ANAMMOX）现在被确认为是一种新颖的重要的生物脱氮工艺。

它可以在厌氧条件下将NH4与NO2直接转化成N2（Strouset等人，1999）。

与传统工艺相比（硝化反硝化生物），厌氧氨氧化过程提供了显著的优点，如对氧气和有机碳，低污泥产量和减少CO2和NO2的排放（OpdenCampet等人，2006）。

近日，唐等人（2010）报告了一个高达74.3-76.7kg-N/m3/d的脱氮率在一个实验室规模的厌氧氨氧化UASB反应器，在废水生物脱氮的厌氧氨氧化工艺的高电位。

然而，如此高的脱氮率（NRR）是通过连续添加厌氧氨氧化污泥到目标反应器，其中生物量浓度的增加高达42-57.7VSS/L（唐等人，2010）。

此外，厌氧氨氧化菌相对长的培养时间为也会导致较长的启动时间，通过降低厌氧氨氧化菌的丰度使厌氧氨氧化系统更加脆弱。

因此，提高生物质厌氧氨氧化菌活性，并进一步缩短厌氧氨氧反应器的启动是很趣味性和挑战性的课题。

研究人员已经进行了大量的努力，通过外场能量（磁场力，低强度超声）或添加几种微量营养元素增加厌氧氨氧化菌的活性。

例如，刘等。

（2008）施加的磁场成功地提高厌氧氨氧化菌的活性，在60T的磁化率下，最大脱氮率提高了30%。

类似地，段等，（2011）表明，总氮（TN）厌氧氨氧化菌的去除率提高25.5%，通过施加0.3W/cm2超声强度与4分钟的最佳照射时间，这个效果可以持续6天左右。

除了外部领域的应用，乔等（2012）表明Mno2粉末的加入也可以使厌氧氨氧化菌的脱氮率为无二氧化锰粉的2倍。

近日，氧化还原介质（RMS）被发现在有机和无机污染物的厌氧生物转化中起着重要的作用（范德齐和塞万提斯，2009）。

有一些研究集中在氧化还原介质的反硝酸化脱氮工艺中的作用。

阿兰达泰马瑞等人（2007）通过反硝化生物，包括蒽醌-2,6-二磺酸（AQDS），1,2-萘醌-4-磺酸酯e（NQS）.2,6-disulfonate（AQDS）,2-羟基-1,4-萘醌，研究了同时转换硫化物和硝酸盐不同醌的氧化还原介质的影响。

他们证明，NQS必须使用硫化氢作为电子供体的最高硝酸盐还原率（荷兰达泰马瑞等人，2007）。

Guoet等人（2010）探讨了氧化还原介质催化脱氮工艺与蒽醌（AQ）由海藻酸钙固定。

他们还发现，加入500个蒽醌固定化珠会加速脱氮约两倍。

刘等（2012）证明，固定到功能聚合生物载体2-磺酸蒽醌（00.4mmol/L），可以提高脱氮率约1.5倍。

直到现在还没有关于RMS对厌氧氨氧化生物有影响的报告。

反硝化生物量最关键酶位于细胞膜或细胞膜外介质。

因此，RMS可以接触这些酶和加快硝酸盐或亚硝酸盐的生物降解速率。

然而，厌氧氨氧化菌的关键酶是位于厌氧氨氧化菌膜内，并在其膜引起质子动力势和随后的由膜结合ATP酶合成ATP（图1中示出）。

从厌氧氨氧化菌外面进入厌氧氨氧化膜，RMS必须穿过细胞壁，细胞质膜，卵胞浆内膜和厌氧氨氧化膜以便与关键酶接触。

厌氧氨氧化菌膜结构由C18和C20脂肪酸组成，包括3个或5个线性级链环丁烷（sinningheet等人，2002）。

它们被脂结合到甘油骨架或醚结合的烷基链（sinningheet等人，2005）。

因此，ladderane可能会阻止RMS和厌氧氨氧化膜内部的关键酶之间的接触。

本研究的目的是讨调查三种RMS对厌氧氨氧化生物活性的影响。

厌氧氨氧化菌的关键酶（肼脱氢酶硝酸还原酶、亚硝酸还原酶）上RMS的影响也进行了研究。

还讨论了在两个厌氧氨氧化生物和关键酶上的效果的可能机制。

所测试的RMS包括蒽醌-2,6-二磺酸（AQDS），2-羟基-1,4-萘醌（法）和蒽醌-2-羧酸（AQC）。

2.方法

2.1.微生物与资料媒体

厌氧氨氧化污泥用于接种源自形反应器的厌氧氨氧化实验规模的实验室。

反应器的内径和高度分别为8和45厘米。

这种反应器在670天的操作的总脱氮（TN）率为8.0kg-N/m3/d。

KSU-1株（AB057453.1）的厌氧氨氧化菌约占种子的总生物量的70–75%。

在实验中使用的介质主要是由在（NH4）2SO4和亚硝酸钠中的铵和亚硝酸盐的形式。

该微量矿物质培养基的组成如范德格拉夫等人描述（1996）。

2.2批量测试

为了确定不同的RMS浓度对特殊厌氧氨氧化活性的影响，制定了七组是RMS从0到0.8毫米不同浓度的实验。

该实验是在七个120毫升含100毫升培养基瓶的血清瓶，每个包含厌氧氨氧化的生物质具有不同的RMS（MLVSS浓度2000mg/L）。

生物样品取自反应器并在矿物质中洗涤三次，以除去残留的氮气。

将pH值调整至7.5，将温度保持在35±1°C左右的水域摇床。

摇动转速设定为150转的转速，保持生物量和媒体之间的充分接触。

血清瓶内容物与二氮的气体被洗清以除去溶解的氧。

初始NH4-N和NO2-N浓度都设定在50毫克/升。

特别厌氧氨氧化活性，随着时间流逝由在瓶里的氨和亚硝酸的浓度每单位生物量降低浓度曲线峰值改变。

使用无菌注射器每小时收集一次样品，并通过0.45lm孔径的膜吹扫来分析NH4-N，NO2-N，NO3-N，和RMS浓度。

2.3分析方法

Concentrationsofnitriteandnitrateweredeterminedbyusingon-exchangechromatography（ICS-1100,DIONEX,AR,USA）withanIonPacAS18anioncolumnafterltrationwith0.22lmporesizemembranes.NH4-N,MLSSandMLVSSconcentrationsweremeasuredaccordingtotheStandardMethods（APHA,1995）.

硝酸盐和亚硝酸盐的浓度通过使用离子交换色谱测定法（ics-1100，Dionex，AR，USA）与0.22ml孔径膜过滤PACAS18阴离子柱。

NH4-N，MLSS和MLVSS浓度按标准方法测定（APHA，1995）。

pH值的测量是通过使用一个数字pH计（phs-25，雷磁公司，中国），而DO使用数字DO做计进行测量（YSI，模型55，美国）。

使用分光AQDS，AQC和规律浓度均在其最大吸光度采用分光光度法测量（k=328，336，452nm）用分光光度计（v-560uv/VIS分光光度计，日本）根据哈藤巴赫等人。

（2008）和劳等人。

（2002）

2.4生物质提取物的制备及酶活性的测定

从我们的实验室规模的反应器中量取5克（湿重）厌氧氨氧化生物质。

生物样品离心8000rpm离心转，在4°C进行20分钟，随后用磷酸钠缓冲溶液洗涤两次（20毫米，pH7.0）。

洗涤后的沉淀在20毫升缓冲液溶解再沉淀后超声（225W，4°C30分钟，超声波处理器CPX750，美国）。

细胞团通过离心（22000转）分离，在4°C进行30分钟。

将上清液储存在4°C作为蛋白质和酶活性测定细胞提取物。

蛋白质浓度的测量根据布拉德福德（布拉德福德法，1976），以牛血清白蛋白为标准。

据岛村等人描述的肼脱氢酶酶活性方法测定（2007），并且反应用分光光度计描绘为在550纳米处增加在标注混合物中细胞色素C的吸光度（v-560紫外可见分光光度计，雅有限公司，日本）。

该混合物由100毫米磷酸钾缓冲液（pH7.0），50lm马心脏细胞色素C（氧化型），酶解液适量，和25lm肼。

肼脱氢酶（HDH）活性表示为细胞色素减少／毫克蛋白/分钟。

硝酸还原酶（NAR）的活性测定Meincke等人（1992）通过测定亚硝酸盐消耗方法。

氯酸钠作为电子受体。

测定含有22mmNaClO3和11毫米50毫米亚硝酸钠钾磷酸盐缓冲液，pH值7。

反应通过加入酶开始。

一个单位的酶活性被denedaslmol亚硝酸盐还原酶（NIR）的活性作为赛义德在Hira等人描述的方法的基础上（2012）以减少甲基紫（MV）作为电子供体。

反应混合物含有100毫米磷酸钾缓冲液（pH7.0），MV（3毫米），亚硝酸钠（6毫米）和0.1毫升的生物质提取物在塞紧的4毫升试管内制备。

反应是由连二亚硫酸钠的注射开始（12毫米）。

酶活性被作为亚硝酸盐的还原。

所有的测定混合物要在35±1°C进行。

2.5系统分析

所有在本文中提出的数据是一式三份，实验的数据的平均值。

通过使用单因素方差分析每与邓肯的多范围检验（SPSS19），和每次形成统计分析的P＜0.05值被认为是统计学显著性。

英语原文

Effectsofquinoidredoxmediatorsontheactivityofanammoxbiomass

highlights

RMsadditiondepressedTNremovalperformancebyanammoxbiomass.

RMscouldmarkedlyenhancethekeyenzymesactivitiesofanammoxbacteria.

RMswasinferredtoplaytheroleasQ/QH2duringanammoxprocess.

LadderaneasthemainreasonmightblockthecontactbetweenRMsandkeyenzymes.

Articleinfo

Articlehistory:

Received19September2013

Receivedinrevisedform31October2013

Accepted1November2013

Availableonline10November2013

Keywords:

Anammox

Redoxmediator

Hydrazinedehydrogenase

Nitritereductase

Nitratereductase

abstract

Thisstudyrstexploredtherelationshipbetweentheactivityofanammoxbiomass/keyenzymesandquinoidredoxmediators,whichwereanthraquinone-2,6-

disulfonate（AQDS）,2-hydroxy-1,4-napthoqui-none（LAW）andanthraquinone-2-carboxylicacid（AQC）.Experimentalresultsdemonstratedthatthetotalnitrogenremovalperformanceshowedadownwardtrendwithallthreeredoxmediators（RMs）dosageincreasing.Forinstance,whentheAQCadditionincreasedto0.8mM,theTNremovalratesharplyreducedto17.2mg-N/gVSS/h,onlyabout20%ofthecontrol.ThisphenomenonmightbecausedbymicrobialpoisoningwiththeextracellularRMsadditions.Nevertheless,thecrudehydrazinedehydroge-nase,nitritereductase,andnitratereductaseactivitieswereenhancedwithRMsaddition,about0.6–3foldscomparedtothecontrolexperimentswithoutRMsaddition.TheRMswasinferredtoplaytheroleasubiquinol/ubiquinone（Q/QH2）duringtheanammoxprocess.Furthermore,thespecicladderanemembranestructurecouldblockthecontactingbetweenRMsandthekeyenzymesinsideanammox-some.ThismightbethemainreasonforthecontraryeffectsofRMsonanammoxbiomassandthekeyenzymes.

1.Introduction

Anaerobicammoniumoxidation（anammox）processisnow

recognizedasanovelandimportantprocessinbiologicalnitrogenremoval,whichcandirectlyconvertNO2toN2gaswithNH4underanaerobicconditions（Strousetal.,1999）.Comparedwiththeconventionalbiologicalprocesses（nitrication–denitrication）,anammoxprocessofferssignicantadvantagessuchasnodemandforoxygenandorganiccarbon,lowsludgeproductionandreduced

CO2orN2Oemissions（OpdenCampetal.,2006）.Recently,Tang

etal.（2010）reportedaveryhighnitrogenremovalrateof74.3–76.7kg-N/m3/dinalab-scaleanammoxUASBreactor,whichdemonstratedhighpotentialofanammoxprocessinbiologicalnitrogenremovalfromwastewaters.However,suchahighnitrogenremovalrate（NRR）wasachievedthroughthecontinuousadditionofanammoxseedsludgeintothetargetedreactor,inwhichthebiomass

concentrationincreasedashighas42.0–57.7g-VSS/L（Tangetal.,2010）.Furthermore,therelativelongdoublingtimeofanammoxbacteriawillalsocausealongerstartupperiodandmaketheanammoxsystemmorevulnerablewithlowanammoxbacteriaabundance.Consequently,enhancingthebacterialactivityofanammoxbiomassandfurthershorteningthestart-upperiodofanammoxreactorsaresubjectsofgreatinterestandchallenge.

Researchershavemadenumerouseffortstoincreasetheactivityofanammoxbiomassbyutilizingexternaleldenergy（mag-neticeld,lowintensityultrasound）oraddingsomekindsofmicronutrient.Forinstance,Liuetal.（2008）appliedmagneticeldsuccessfullytoenhancetheactivityofanammoxbacteriawherebythemaximumnitrogenremovalrateincreasedby30%atmagneticvalueof60.0mTinlongterm.Similarly,Duanetal.（2011）demon-stratedthattotalnitrogen（TN）removalrateofanammoxbacteriaincreasedby25.5%byapplyingultrasoundintensityof0.3W/cm2withtheoptimalirradiationtimeof4min,andthiseffectcouldlast

forabout6days.Besidestheapplicationofexternaleld,Qiaoetal.（2012）demonstratedthattheadditionofMnO2powdercouldalsoincreasethenitrogenremovalrateofanammoxbiomassabout2timesashighasthatwithoutMnO2powderaddition.

Recently,redoxmediators（RMs）werefoundtoplayanimportantroleintheanaerobictransformationoforganicandinorganiccontaminants（VanderZeeandCervantes,2009）.Therewereafewstudiesfocusedontheroleofredoxmediatorsonnitrogenremovalbydenitricationprocess.Aranda-Tamauraetal.（2007）investi-gatedtheimpactsofdifferentquinoidredoxmediatorsonthe

simultaneousconversionofsulphideandnitratebydenitrifyingbiomass,includinganthraquinone-2,6-

disulfonate（AQDS）,2-hy-droxy-1,4-naphthoquinoneand1,2-naphthoquinone-4-sulphonate（NQS）.TheydemonstratedthatNQShadthehighestnitratereduc-

tionrateusingsulphideaselectrondonor（Aranda-

Tamauraetal.2007）.Guoetal.（2010）exploredthepossibilityofredoxmediatorcatalyzingdenitricationprocesswithanthraquinone（AQ）immo-bilizedbycalciumalginate.Theyalsofoundthatadditionof500anthraquinoneimmobilizationbeadswouldacceleratethedenitri-fyingrateabout2times.Liuetal.（2012）demonstratedthatanthraquinone-2-sulfonate（0.04mmol/L）immobilizedintothefunctionalelectropolymerizationbiocarrierscouldincreasethe

denitricationrateabout1.5folds.UntilnowtherewasnoreportontheeffectsofRMsonanammoxbiomass.

Mostkeyenzymesofdenitrifyingbiomassarelocatedonthecellmembraneorthecellmembraneperiplasma.Thus,RMscouldcontacttheseenzymesandacceleratethebiodegradationrateofnitrateornitrite.However,allthekeyenzymesofanammoxbac-teriaarelocatedinsideanammoxosome,andonitsmembranegivingrisetoaproton-motive-forceandsubsequentATPsynthesisby

Membrane-boundATPases（sh