アナモックス

アナモックスは「嫌気性アンモニウム酸化」の略で、多くの自然環境で起こる窒素循環^{[1]の重要な微生物プロセスです。このプロセスを媒介する細菌は1999年に特定され、科学界に大きな驚きをもたらしました。 [2]}アナモックス反応では、亜硝酸イオンとアンモニウムイオンが直接二原子 窒素と水に変換されます。

アナモックスプロセスを行う細菌は、細菌門プランクトミセス門に属する属である。アナモックス細菌はすべて、アナモックスプロセスが行われる細胞質内の脂質二重膜で囲まれた区画であるアナモキソソームを1つ有する。 ^{[3] [4]}アナモキソソーム膜はラダーラン脂質を豊富に含み、これらの脂質の存在はこれまでのところ生物学において特異である。^[5]

「アナモックス」は、デルフト工科大学が開発したアナモックスベースのアンモニウム除去技術の商標名でもあります^[6]。

この生物学的プロセスは酸化 還元反応であり、亜硝酸イオンとアンモニウムイオンは窒素と水の二原子分子に直接変換されます。 ^[8]

NH+4+ いいえ−2 → N ₂ + 2 H ₂ O (Δ G ° =−357 kJ⋅mol ⁻¹）。^[9]

世界的に見ると、このプロセスはNの30～50%を占めている可能性がある。
₂海洋で生成されるガスです。^{[10]そのため、}固定窒素の主要な吸収源となり、海洋の一次生産性を制限します。

アナモックスプロセスを実行する細菌は、細菌門プランクトミセス門に属します。現在、5つのアナモックス属が発見されています：ブロカディア、クエネニア、アナモキソグロバス、ジェッテニア（すべて淡水種）、およびスカリンドゥア（海洋種）。^[11]アナモックス細菌は、いくつかの顕著な特性を備えています。

• これらはすべて、細胞質内に膜で囲まれた区画であるアナモキソソームを1つ持っており、アナモキソソームはアナモキソ分解の中心です。さらに、これらの細菌の膜は主にラダーラン脂質で構成されており、これは生物学上これまでのところユニークなものです。^[12]
• 特に興味深いのは、中間体としてのヒドラジン（通常は高エネルギーロケット燃料として使用され、ほとんどの生物にとって有毒）への変換である。 ^[13]
• この生物の最後の顕著な特徴は、極めて遅い成長速度であり、倍増時間は7日から22日である。^[7]

アナモックス細菌は、非常に低濃度の基質を変換するように調整されています。言い換えると、基質であるアンモニウムと亜硝酸塩（マイクロモル未満の範囲）に対して非常に高い親和性を持っています。^{[14] [15]アナモックス細胞は、}シトクロムc型タンパク質（タンパク質相補体の約30％）で満たされており、アナモックスプロセスの主要な異化反応を実行する酵素を含むため、細胞は著しく赤くなります。^[16]アナモックスプロセスは、もともと20℃から43℃でのみ発生することが確認されていましたが^[14]、最近では、温泉では36℃から52℃の温度で、大西洋中央海嶺に沿った熱水噴出孔では60℃から85℃の温度でアナモックスが観測されています。^{[18 ]}

1932年、米国ウィスコンシン州メンドータ湖の堆積物中の発酵中に、未知のメカニズムによって窒素ガスが生成されたことが報告されました。 ^[19] 1965年、FAリチャーズ^{[20]は、有機物の嫌気性再鉱化中に生成されるはずの}アンモニウムのほとんどが説明されていないことに気づきました。この変換の生物学的経路が知られていなかったため、アンモニウムの生物学的嫌気性酸化はそれ以上注目されませんでした。^[21]

1977年、エンゲルベルト・ブローダは、熱力学計算に基づいて、アンモニウムを二窒素ガスに酸化できる2つの化学合成独立栄養微生物の存在を予測した。^{[22] [23]}先人たちがこれらの反応の生物学的根拠を確立しようとして失敗したと仮定すると、アンモニウムの嫌気性酸化は実現不可能であると考えられていた。1990年代までに、アーノルド・マルダーの観察はリチャードの示唆と一致するものとなった。^{[24]彼らの無酸素脱窒パイロットリアクターでは、亜}硝酸塩が失われ、アンモニウムが消失し、窒素が明確に生成された。リアクターは、アンモニウム、硫化物、その他の化合物を含むメタン生成パイロットリアクターからの排出物と、硝化プラントからの硝酸塩を流入液として使用した。このプロセスは「アナモックス」と名付けられ、不要なアンモニウムの除去に大きな意義があることが認識された。

アナモックスプロセスの発見は、第5回欧州バイオテクノロジー会議で初めて公表されました。^[25] 1990年代半ばまでに、流動床反応器におけるアナモックスの発見が発表されました。^[26]最大アンモニウム除去率は0.4 kg N/m ^{3 /dに達しました。消費されたアンモニウム1モルあたり0.6モルの硝酸塩が必要であり、その結果0.8モルの}Nが形成されることが示されました。
₂ガス。

1995年にアナモックスの生物学的性質が特定された。[ ^27]15
NH⁺
₄と組み合わせて¹⁴
いいえ⁻
₃^14-15 Nを示した
₂ラベル付けされたNの総量の98.2%を占める主要な製品であった。
₂. アナモックス反応では、硝酸塩ではなく亜硝酸塩がアンモニウムの酸化剤として想定されていることが判明しました。以前の研究に基づいて、Strousら^{[28]は質量バランスによってアナモックスプロセスの化学量論を計算し、これは他のグループによって広く受け入れられています。その後、アナモックス細菌は}プランクトミセトタ^[2]として特定され、最初に特定されたアナモックス生物はカンジダトゥス「ブロカディア・アナモキシダンス」と名付けられました。^[29]

2002年以前は、アナモックスは自然生態系内の窒素循環においてマイナーな役割しか果たしていないと考えられていた。 ^[30]しかし、2002年にアナモックスは生物窒素循環において重要な役割を果たしていることが判明し、総窒素循環の24～67%を占めている。
₂研究対象となった大陸棚堆積物中の窒素生産量。^{[31] [32]}アナモックス過程の発見は、図2に示すように、生物学的窒素循環の概念を修正した。

によると¹⁵
1997年に実施されたN標識実験では、アンモニウムは、おそらく亜硝酸塩に由来するヒドロキシルアミンによって生物学的に酸化され、電子受容体として利用されている。^[33]ヒドラジンから窒素ガスへの変換は、亜硝酸塩をヒドロキシルアミンに還元するための電子当量を生成する反応であると仮定されている。^[34]一般的に、2つの可能な反応メカニズムが検討されている：^[35]

• 1 つのメカニズムでは、膜結合酵素複合体が最初にアンモニウムとヒドロキシルアミンをヒドラジンに変換し、次にヒドラジンをペリプラズムで二窒素ガスに酸化すると仮定されています。同時に、亜硝酸塩は、内部電子伝達を伴うヒドラジン酸化を担う同じ酵素複合体の細胞質部位でヒドロキシルアミンに還元されます (図 3a)。
• もう一つのメカニズムは、アンモニウムとヒドロキシルアミンが膜結合酵素複合体によってヒドラジンに変換され、ヒドラジンがペリプラズムで二窒素ガスに酸化され、生成された電子が電子伝達系を介して細胞質内の亜硝酸塩還元酵素に伝達され、亜硝酸塩がヒドロキシルアミンに還元されるというものです（図 3b）。

亜硝酸塩の還元とヒドラジンの酸化が同じ酵素の異なる部位で起こるのか、それとも電子伝達系を介して接続された異なる酵素系によって反応が触媒されるのかはまだ調査されていない。^[34]微生物の窒素代謝において、ヒドラジンが中間体として発生することはまれである。^{[36]ヒドラジンは、}窒素固定酵素反応における酵素結合中間体として提案されている。^[37] 最近、詳細な分子分析と補完的な方法の組み合わせを使用して、Kartalと同僚は後者のメカニズムを支持する強力な証拠を発表した。^{[16] [38]} さらに、ヒドラジンを生成する酵素、ヒドラジン合成酵素が精製され、NOとアンモニウムからヒドラジンを生成することが示された。^[16]アンモニウムとNOからのヒドラジン生成は、酵素ヒドラジン合成酵素の結晶構造の解析によっても裏付けられた。^[39]

Hooperら^[40]は、アンモニウムモノオキシゲナーゼファミリーに関連する酵素によるNOまたはHNOとアンモニウムの縮合により、一酸化窒素（NO）またはニトロキシル（HNO）がアナモックスで果たす可能性のある役割を提唱した。形成されたヒドラジンまたはイミンは、その後、ヒドロキシルアミンオキシダーゼ酵素によって二窒素ガスに変換され、反応で生成された還元当量は、NOまたはHNOとアンモニウムを結合するか、亜硝酸塩をNOに還元するために必要である。Candidatus Kuenenia stuttgartiensis種の環境ゲノミクス解析では、わずかに異なる補完的な代謝メカニズムにより、ヒドロキシルアミンではなくNOが中間体であることが示唆された（図4）。[ ^41]しかし、この仮説は、ヒドラジンがプロセスにおける重要な中間体であることにも同意した。この経路（図4）には、アナモックス細菌に特有の2つの酵素、ヒドラジン合成酵素（hzs）とヒドラジン脱水素酵素（hdh）があります。HZSは一酸化窒素とアンモニウムからヒドラジンを生成し、HDHはヒドラジンからフェレドキシンに電子を伝達します。既知の脂肪酸生合成遺伝子やS-アデノシルメチオニンラジカル酵素遺伝子など、電子伝達と触媒に関与するドメインを含むいくつかの新しい遺伝子が検出されています。^[41]アナモックス微生物は、亜硝酸塩の供給を必要とせずに、NO還元とアンモニア酸化を直接結合させることもできます。^[42]

まだ研究されていない別の反応メカニズムは、生体電気システムのアノード上での嫌気性アンモニウム酸化です。このようなシステムには、微生物燃料電池または微生物電気分解セルがあります。溶存酸素、亜硝酸塩、または硝酸塩がない場合、アノードコンパートメントに生息する微生物は、古典的なアナモックスプロセスと同様に、アンモニウムを二窒素ガス（N ₂ ）に酸化できます。 ^[43]同時に、微生物は解放された電子をアノードに放出し、電流を生成します。この電流は、燃料電池モードで直接使用することも、 ^[44]電気分解モードで水素とメタンガスを生成するために使用することもできます。^[43]背後にある反応メカニズムは明確ではありませんが、亜硝酸塩、硝酸塩、または二酸化窒素が中間体としての役割を果たすという仮説があります。^{[44]ただし、このプロセスは非常に低い}電気化学ポテンシャルで発生するため、他のより推測的な反応メカニズムも可能であると思われます。

現在までに10種のアナモックス種が報告されており、そのうち7種は実験室での培養で入手可能である。^{[7]いずれも古典的な純粋培養では得られなかったため、分類学上の地位は}カンジダトゥス属である。既知の種は5つの属に分けられる。

1. クエニア、1 種: Kuenenia stuttgartiensis。^[41]
2. Brocadia属には3種あり、 B. anammoxidans、 B. fulgida、 B. sinicaである。 ^{[2] [45] [46]}
3. アナモキソグロブス属、1種： A. propionicus。 ^[47]
4. Jettenia、1 種: J. asiatica。^{[48] [49]}
5. Scalindua、4 種: S. brodae、 S. sorokinii、 S. wagneri、およびS. profunda。^{[50] [51] [52]}

最初の4属の代表は、下水処理場の汚泥から濃縮された。K . stuttgartiensis、B. anammoxidans、B. fulgida、A. propionicusは同じ接種物から得られた。Scalinduaは海洋環境に優勢であるが、一部の淡水生態系や下水処理場にも見られる。^{[50] [53] [54] [55]}

これら10種を合わせると、アナモックス生物多様性のほんの一部にしか過ぎないと考えられます。例えば、現在、アナモックス細菌に関連する2000を超える16S rRNA遺伝子配列がGenbank（https://www.ncbi.nlm.nih.gov/genbank/）に登録されており、種、亜種、株の見過ごされてきた連続体を表しています。それぞれが、アナモックス細菌が見られるさまざまな生息地で特定のニッチを見つけたようです。種の微小多様性は、海洋の代表であるScalinduaで特に印象的です。^{[51] [56] [57] [58] [59] [60]}調査が残されている問題は、どの環境要因がアナモックス細菌間の種の分化を決定するかということです。

アナモックス16S rRNA遺伝子の配列同一性は87～99%の範囲で、系統解析によりそれらはすべてプランクトミセト門^[61]に属し、この門はヴェルコミクロビアやクラミジアとともにPVC上門を形成している。^[62]プランクトミセト門内では、アナモックス細菌は単系統群として深く分岐している。その系統学的位置と広範囲にわたる特定の生理学的、細胞的、分子的形質により、アナモックス細菌はブロカディアル目^[63]という独自の目を持つ。

アナモックス法は、廃水処理におけるアンモニウムの除去に適用され、2 つの別々のプロセスから構成されます。最初のステップは、アンモニア酸化細菌によるアンモニウムの半分の亜硝酸塩への
部分硝化(亜硝酸化) です。

2 NH⁺
₄+ 3 0
₂→ 2いいえ⁻
₂+ 4時間⁺
+ 2時間
₂お

残りの半分のアンモニウムと新しく形成された亜硝酸塩は、アナモックスプロセスでアナモックス細菌によって二原子窒素ガスと約 15 % の硝酸塩 (図示せず) に変換されます。

NH⁺
₄+いいえ⁻
₂→いいえ
₂+ 2時間
₂お

両方のプロセスは1つのリアクター内で行われ、2つの細菌ギルドがコンパクトな顆粒を形成します。^{[64] [65]}

アナモックス生物の増殖には、必要な汚泥齢20日以上を確保できる粒状バイオマスまたはバイオフィルムシステムが特に適していると思われる。可能な反応器は、連続バッチ反応器（SBR）、移動床反応器、またはガスリフトループ反応器である。従来の窒素除去と比較してコスト削減は相当なものであり、この技術はまだ新しいが、いくつかのフルスケールの設備で実証されている。^[66]

アナモックス細菌の応用を目的とした最初の本格的なリアクターは、2002年にオランダに建設されました。^[67]ドイツ（ハッティンゲン）などの他の廃水処理場では、アナモックス活性が偶然観察されていますが、その目的で建設されたものではありません。2006年現在、オランダには3つの本格的なプロセスがあります。1つはロッテルダムの都市廃水処理場、もう2つは産業排水です。1つは皮なめし工場で、もう1つはジャガイモ加工工場です。^[68]

アンモニウムを多く含む廃水からの従来の窒素除去は、2つの別々のステップで行われます。硝化は好気性アンモニア酸化細菌と亜硝酸酸化細菌によって媒介され、脱窒菌によって硝酸塩がNに還元されます。
₂適切な電子供与体の投入により、この2つのプロセスは次のようなものとなる。^[69]

1. エネルギー消費量が非常に多い。
2. 余剰汚泥の生成に関連します。
3. _CO2やNなどの温室効果ガスを大量に排出する
   ₂Oおよびオゾン層を破壊する NO。

アナモックス細菌はアンモニウムと亜硝酸塩を直接Nに変換するため
₂嫌気的に、このプロセスは曝気や他の電子供与体を必要としない。しかし、アンモニア酸化細菌による亜硝酸塩の生成には酸素が依然として必要である。しかし、部分亜硝酸化/アナモックスシステムでは、アンモニウムの半分だけを亜硝酸塩に酸化すればよく、硝酸塩に完全に変換する必要はないため、酸素需要は大幅に減少する。アナモックス細菌とアンモニア酸化細菌の独立栄養性により、収量が低く、したがって汚泥生成が少なくなる。^[69]さらに、アナモックス細菌は安定した自己凝集バイオフィルム（顆粒）を容易に形成するため、高いバイオマス濃度と最大5～10 kg N m ⁻³の変換率を特徴とするコンパクトなシステムの信頼性の高い操作が可能になる。^[70]全体として、廃水処理におけるアナモックスプロセスの効率的な適用は、最大60％のコスト削減^{[71] [72]}とCO ₂排出量の削減につながることが実証されている。^[69]

倍加時間は10日から2週間と遅い。^[73]このため、廃水処理リアクターに十分な量の汚泥を増殖させることは困難である。また、事故による汚泥の損失後の回復時間は、従来の窒素除去システムよりも長くなる。一方で、この遅い増殖速度は、除去して処理する必要がある余剰汚泥の削減という利点がある。正確な種に応じて、最適なpHレベルは8である。 ^[73]したがって、苛性アルカリを添加して廃水のpHを調整する必要がある可能性がある。