Thauera属在废水生物处理系统中的作用综述

Thauera属在废水生物处理系统中的作用综述

高凯拓1，谢志平1，戴昕2，於有利1，周伟志1

[1]  聚光科技（杭州）股份有限公司 浙江杭州 310056

[2][2]浙江省生态环境监测中心 浙江杭州 310012

摘要：Thauera菌属作为废水生物处理系统的重要组成成分，在污染物去除过程中起到关键作用。本文从thauera菌属分类及不同结构特性等角度出发，综述了thauera属在废水生物处理系统处理芳香族化合物、反硝化脱氮及去除COD方面的重要作用，并阐述其降解某些典型污染物的作用机制，同时对thauera属研究方向进行了展望

关键词：Thauera sp.；降解芳香烃类污染物；反硝化脱氮

每个生物处理系统作为一个相对完整的微生态系统，各种进水基质C、N、P以及人工曝气所提供的溶解氧都是生物处理系统的物质能量来源。因此，对于生物处理系统中微生物菌群进行定位定量比较分析，可以从微生物生态学角度系统和深入地对污染物降解机理进行探究。

随着各种先进分子生物技术的产生与应用，存在于废水生物处理系统中一些具有重要作用的功能菌属被发掘并针对其结构和功能进行了全面深入研究。微生物群落的结构和功能与污染物去除和系统高效稳定运行息息相关，并对废水生物处理系统的运行具有理论意义和应用价值。在对此的研究过程中，一类菌群的功能和性质突显出来——Thauera属细菌。Thauera属细菌，广泛存在于各种类型的废水生物处理系统之中，并有能够广泛降解污染物。其具有降解芳香烃类有机物，反硝化以及降解COD等方面的能力，是生物处理装置中一种非常常见并起重要作用的菌种。

1Thauera属细菌的分类、检出

Thauera是β-proteobacteria纲下属的一类革兰氏阴性细菌，大多为杆状结构。

Fig1Thauera菌株的显微照片（1000×）

早在1993年，由Macy等人定义了Thauera属下的第一种细菌Thauera selenatis。到目前为止，Thauera细菌已经被分离出将近50株的纯种菌株，被分类定义为9个种。Thauera属的细菌具有多样化形态学及生理生态学特征。大部分Thauera细菌最适生长pH为中性（pH 7.0-7.5之间）。在形态学方面，不同菌株的运动方式也有所不同，T.selenatis和T.mechernichensis都是通过单级鞭毛的移动而活动，T.aminoaromatica和T.chlorobenzoica则是依靠已退化了的类似周生菌毛的鞭毛来活动。

Thauera属的全新分支：

(ND: not determined; +:growth; -: no growth)

Table1thauera菌属分支

Thauera菌株在污水生物处理系统中广泛存在，由于其在形态学和生理生态学方面的多样化，也凸显出其作用的重要性及多样性。

2Thauera属细菌在废水处理系统中的作用

随着现代分子手段的广泛应用，在废水处理系统中的很多具有污染物降解功能的细菌被分离出来。我们发现，在很多废水处理系统中，Thauera属细菌非常常见而且都具有比较高的含量，因此可以推断其可能起到了重要的作用。下面就根据近年来关于Thauera菌的研究进展分以下几个方面概述其在废水处理系统中所起到的作用。

2.1降解芳香烃类污染物

Thauera菌株最早主要是从焦煤废水处理厂的污泥样品中得以验证，随后普遍出现在各类污水处理反应体系中。Yuejian Mao等人对从焦煤废水处理厂中分离的Thauera菌株进行分析发现，Thauera菌株降解一系列芳香族化合物的能力说明了其在含有芳香族污染物的废水生物修复应用中的潜在作用力。

有研究表明，Thauera属细菌在好氧和厌氧条件下降解芳香烃化合物采用不同的途径。好氧条件下，细菌通过利用分子氧作为底物将芳香烃类化合物羟基化，然后在单加氧酶或双加氧酶的作用下使芳香环断裂；而在厌氧条件下，则是先通过还原剂破坏化合物的芳香烃特性，然后再裂解开环。

Thauera的所有菌株中，对于芳香烃类化合物的利用也是有很大差异。像是在好氧条件下，只有T.phenylacetica菌株才可以降解苯酚。而在厌氧反硝化条件下，T.aromatica、T.aminoaromatica和T.phenylacetica则都能利用苯酚。在Thauera的所有菌株中，只有T.phenylacetica才可以同时在好氧和厌氧条件下利用苯酚。与之相反，T.chlorobenzoica和Thauera sp.却是无论在好氧还是厌氧条件下都不能降解苯酚。有研究人员对thauera菌株其厌氧降解苯酚途径进行探究。由pps genes编码的磷酸苯脂合酶(phenylphosphate synthase)作用于苯酚将其磷酸化为磷酸苯脂(phenylphosphate)，然后在由ppc genes

编码的磷酸苯脂羧化酶(phenylphosphate carboxylase)作用下将磷酸苯脂转化为对羟基苯甲酸甲酯(4-hydroxybenzoate)，并释放出磷酸。对羟基苯甲酸甲酯则进入随后的Thauera菌株降解苯甲酸盐过程。利用分子生物学手段研究Thauera aromatica细菌发现有pps genens和ppc genens 转录的酶的作用，也证实thauera菌属在苯酚降解过程中的重要作用。

反硝化细菌Thauera aromatic K172降解甲苯。该菌株在厌氧环境中氧化甲苯成为二氧化碳。Weimin sun和alison M.cupples研究在不同条件下，污泥样品中微生物降解甲苯吸收碳源过程。通过微观世界构成研究发现，在颗粒污泥以及农用土壤中添加氮源的污泥样品中，主要的甲苯降解细菌都为Thauera sp.。Thauera中甲苯新陈代谢途径主要始于厌氧条件下甲苯发酵被催化转化为延胡索酸盐(fumarate)，然后在琥珀酸苄脂合成酶(succinic acid benzyl fate synthase)的作用下形成琥珀酸苄脂(succinic acid benzyl fat)。另外，Thauera相关基因basA genes在以甲苯为基质的复杂微生物菌体中占有很重的份额，也显示其在甲苯降解过程中的重要作用。

研究人员对Thauera菌中苯甲酸盐厌氧降解途径进行研究。首先，苯甲酸CoA连接酶在ATP水解作用下刺激苯甲酸转化成为苯甲酰-CoA。T.aromatica K172中的酶可同时转化2-氨基以及苯甲酸乙酯、苯甲酸甲酯和对苯甲酸甲酯。第二步即是脱芳构化作用以及环裂解过程。在此过程中，在苯甲酰-CoA还原酶作用下，并依赖铁氧化还原蛋白的还原作用，苯甲酰-CoA被脱芳构化成cyclohex-1，5-diene-1-carbony-CoA（dienoly-CoA），然后转化成3-hydroxypimelyl-CoA。最后在开环水解酶6-oxocyclohex-1-ene-1-carbonyl-CoA水解酶作用下环裂解，产物进入三羧酸循环最终得以去除。Y-N. Li等人通过分子技术对菌群进行研究发现，隶属于Thauera chlorobenzoica的bamA genes 在以甲苯、苯甲酸盐为基质的环境条件下占主体。

有研究人员研究了反硝化和脱硫条件下的两种厌氧分解吲哚微生物菌群。在反硝化生物反应器中最主要的细菌是β-proteobacteria，占到56%。Xuan hong根据实验结论指出在吲哚降解过程中起重要作用的菌株是Alicycliphilus，acaligenes和Thauera属。运行6周的反硝化生物反应器具有较高的喹啉降解效率，对其微生物菌群研究发现，其中Thauera相关菌含量占到74%。

Nishant Dafale等人通过构建双层缺氧-好氧生物反应器用来富集偶氮染料脱色和降解的微生物菌群。好氧反应器旨在降解缺氧反应器中染料分子形成的副产物，菌群16S rDNA与基因库比对发现，其中占主要量的是Thauera sp.，主要起到的作用是降解芳香烃化合物。

2.2 反硝化脱氮

污水处理系统的一般功能即脱氮除磷。脱氮过程即有机或无机氮源经历氨化作用，硝化作用，最终经历反硝化作用转化为氮气排出体系。因此，在废水处理系统中，参与反硝化过程的反硝化菌广泛存在于土壤、水体、活性污泥等。

反硝化菌的种类很多，有30-40个属的细菌都具有反硝化能力，主要都属于变形菌纲(proteobacteria)。亚硝酸还原酶基因(nir)所编码的亚硝酸还原酶参与将Nox气化为NO过程，是反硝化过程中最重要的基因。目前研究得知，已知的Thauera属细菌都具有反硝化功能基因(nirS/nirK)，基本都是反硝化细菌。Thauera细菌在提供有机碳如醋酸盐和葡萄糖的条件下进行异养反硝化作用。Thauera sp. 有严格的生存形式，需要分子氧，硝酸盐，亚硝酸盐或者一氧化二氮作为最终电子受体。因此，大多数thauera sp.是厌氧细菌，在厌氧状态下，以硝酸盐或者硒酸盐为电子受体，将硝态氮彻底的转化为氮气并且具有高效的反硝化能力。如Thauera aromatica菌株，T.selenatis等属于厌氧硝酸盐还原菌。在1999年时，Scholten等人发现Thauera merchernichensis是一个好氧反硝化细菌，在培养基溶解氧浓度为30%的空气饱和度时，就会开始反硝化，当氧气浓度将为0时，反硝化速率达到最大。其他Thauera菌好氧反硝化活性还尚未被发现。

Huang S.等研究人员取珠江流域的底泥对其菌群结构进行研究，同时发现，在所有的沉积层中，β-proteobacteria的含量是最高并且展现了多重代谢能力。Thauera aromatica

菌株属于厌氧硝酸盐还原菌，执行反硝化功能。

Takahiro Yamashita等人研究了珍珠岩载体上附着的生物膜的脱氮作用。发现其中反硝化菌Thauera sp.比例占到了48%。研究人员推测该生物膜上Thauera sp.菌的大量出现主要是由于珍珠岩的物理性质，如轮廓和孔洞结构比较适合Thauera sp.的生存。Anja Wunderlich等人在分别以醋酸盐、苯酸盐和甲苯作为碳源的严格厌氧条件下培养出的反应器都检测到起反硝化作用的菌种Thauera aromatica的出现。

Thauera菌在污水处理体系中具有反硝化能力，主要是由于硝酸盐还原基因nirS以及nirK编码的硝酸盐还原酶存在于Thauera菌中。另结合Thauera菌降解芳香族化合物与其反硝化作用可知，Thauera菌利用硝酸盐作为电子受体脱芳开环降解芳香族化合物，而硝酸盐接受电子被还原成为氮气排出反应体系。

2.3  去除COD

有研究表明Thauera菌株具有积累PHA的能力。由以Thauera selenatis菌属，在污水处理系统中的作用除了降解芳香烃类化合物和反硝化，还具有积累PHA的能力。Derin orhon等人研究对活性污泥贮存过程有影响的微生物菌群发现，在改进的活性污泥PHA积累过程，Thauera sp.在PHA存储生物质过程中有重要作用。Thauera/azoarcus菌株占到总细菌的52%和54%，Thauera/zaoarcus sp.对PHA贮存起到重要的作用。FISH实验证实，Thauera/azoarcus sp.可以贮存胞内聚合物。

Thauera菌属的作用还不止于此，有研究表示Thauera菌属具有产PHB的能力。以T.selenatis菌株为例，对其进行培养发现，在加入醋酸盐后，其生长过程中会积累PHB(poly-β-hydroxybutyrate)。通过对其好氧状态下碳源利用能力测定，发现其可利用Acetate、D-Glucose、Lactose等多种碳源。菌株T.aromatica同样也可以在生长过程中积累PHB，另外，菌株T.aromatica可利用很多易降解碳源如acetate或ethanol或者是难降解碳源如benzoate或者2-aminobenzoate等作为唯一碳源进行生长，生产PHB作为能源贮存聚合物以颗粒形态储存在细胞中，可以在反硝化过程中得以利用。Yang Jiang等人研究了以乳酸或者乳酸醋酸混合物为原料的环境条件下PHB生成。在此环境中主要的细菌菌株为plasticicumulans aciporans和thauera selenatis。Thauera sp.主要是在乳酸条件下积累PHB的优势菌群。

随着人们对thauera菌属研究的深入，发现其除了具有降解多种污染物的能力，还具有很多其他能力。反硝化菌群Thauera aromatic也可参与POPs降解以及硫酸盐和铁氧化作用。另外，在eDNA中也发现有thauera菌的存在。研究发现，其可能与生物膜形成与结构稳定性有关。有研究表明Thauera selenatis是至今为止最有效的硒酸盐还原细菌。从T.selenatis中分离的硒酸盐还原酶(SerABC)是一种可溶性周质酶。SerABC作用的结果是将硒酸盐转化成为亚硒酸盐。但是T.selenatis中亚硒酸盐的还原并不能支撑细菌生长也不是呼吸基质，因此关于其作用机制还有争议。Charles M. Debieux等人研究thauera selenatis菌的硒酸盐降解过程则发现，硒酸盐量的减少会导致细胞内硒单质的形成和沉积并最终分泌成为直径约为150nm的Se纳米级物质。

3展望

Thauera菌作为废水生物处理系统的重要成分之一，在芳香族化合物的降解和反硝化脱氮等方面起到重要作用。因此，对于thauera菌的深入研究将有助于废水生物系统更好的运行和脱除污染物。然而，由于目前对于thauera菌的一些特性和具体作用机理还不是很明确，在以下几个方面还有待了解和深化：

3.1Thauera菌属富集与稳定培养

优化操作工艺操控Thauera菌属生长，实现在复杂的自然环境条件下thauera菌属的培养和富集，从而调控废水处理系统中微生物菌群的结构稳定，并研究thauera菌属与其他菌群的联合作用效应。

3.2Thauera菌作用机理

作用机理是研究菌属降解污染物的基础。目前对于thauera菌的作用机理的研究并不是很深入，而且主要集中在苯酚、甲苯等典型芳香族污染物上。作用机理研究不具有普遍适用性，且存在很多争议。因此，结合现代理化分析方法与分子生物学表征技术研究thauera菌属在降解芳香族化合物或者反硝化脱氮等过程的关键基因及与其他群落结构的相互关系，才能从机理出发对废水生物处理工况进行调节。