陶虎春 谢勇 张丽娟 丁凌云 陈艺贞

深圳市重金属污染控制与资源化重点实验室, 北京大学深圳研究生院环境与能源学院, 深圳 518055;† E-mail: taohc@pkusz.edu.cn

据统计, 2050 年世界人口将达到 80～100 亿[1],人类对食物蛋白的需求比 2006 年高 70%[2]。目前,农业生产中主要依靠哈伯-博施技术提供氮肥[3]。但是, 在传统施用化肥过程中, 有近 50%的活性氮被浪费, 进入自然水体; 另一部分氮被纳入城市污水处理厂进行处理[4-5]。哈伯-博施法固氮每年消耗全球 1%～2%的能源[6], 污水处理厂运行又消耗全球3%的能源[6]。因此, 需要探寻新的技术途径, 在满足农业氮肥供应的同时, 减少环境影响和能源消耗。

城市污水处理系统中蕴含水、氮磷营养元素和能量等资源[7-8]。2018 年中国累计处理污水 519×108m3, NH4+-N 削减量为 1.19×106t[9]。目前, 对含 NH4+-N 污水的处理方法主要分为两大类: 低浓度时, 以硝化-反硝化生物化学处理法为主, NH4+-N 最终转化为气态氮形式; 高浓度时, 以吹脱、气提、鸟粪石吸附和电化学等物理化学方法为主[10-12]。传统的 NH4+-N 处理方法无法实现氮资源的回收利用。

近年来, 有学者利用氢氧化型细菌(Hydrogenoxidizing bacteria, HOB), 分别以 H2和 O2作为电子供体和受体, 通过卡尔文、逆三羧酸循环固定 CO2,进行细胞合成[13]。HOB 可以消耗污水中的 CO2、氮[14]和磷等低价值无机物, 生产生物塑料、动物饲料添加剂和液体燃料等[15]高附加值产品。理论上,HOB (如Cupriavidus necator)对氮元素的利用反应式[16-17]为

目前, 国内外针对 HOB 的研究多集中于植物根际促生机制[18-19]和单细胞蛋白营养价值[20]领域,在环境保护和资源回收领域的研究较少。

本研究从污水处理厂的活性污泥中筛选分离出一株 HOB, 针对该菌株高效利用 NH4+-N 的特性开展研究, 为含 NH4+-N 废水的氮素资源化利用研究奠定基础。……