強(qiáng)化生物脫氮除磷(EBPR)工藝因其經(jīng)濟(jì)適用性，在污水處理案例中的應(yīng)用逐漸增多——它無需化學(xué)藥劑就能實(shí)現(xiàn)磷的去除，回收的生物質(zhì)還能用作農(nóng)業(yè)肥料。EBPR工藝依靠聚磷菌(PAOs)儲(chǔ)存聚磷酸鹽(poly-P)的能力實(shí)現(xiàn)生物除磷。

讀者們可能都對(duì)生物除磷的原理略有了解：當(dāng)暴露在交替的富碳厭氧區(qū)和缺碳好氧區(qū)時(shí)，聚磷菌能釋放部分聚磷酸鹽，然后過量吸收聚磷酸鹽，通過后續(xù)的沉淀池將這些吸收了聚磷酸鹽的生物質(zhì)作泥水分離后，就達(dá)到了污水除磷的效果。

圖. 生物除磷的原理 | 圖源：UNESCO-IHE

聚磷菌是單一菌種嗎？答案顯然是否定的。目前而言，Candidatus Accumulibacter菌屬(也被稱作A菌)和 Tetrasphaera菌屬(也被稱作T菌)是兩種常見的聚磷菌?？茖W(xué)家們已經(jīng)在實(shí)驗(yàn)室里對(duì)它們的代謝路徑進(jìn)行了大量的研究，并在實(shí)際的污水廠里得到了驗(yàn)證。其中A菌是最常見的模型菌屬，關(guān)于聚磷菌經(jīng)典的PHA（聚羥基烷酸）和糖原吸收釋放理論都是基于A菌的研究。但已經(jīng)有研究表明，T菌的代謝行為和A菌有所不同，因?yàn)樗麄儧]有在T菌中發(fā)現(xiàn)原位的PHA或糖原。

這個(gè)發(fā)現(xiàn)促進(jìn)了學(xué)界對(duì)除磷微生物的進(jìn)一步研究，他們開始發(fā)現(xiàn)更多的微生物細(xì)胞內(nèi)含有多聚磷酸鹽，其中包括Dechloromonas菌屬(脫氯單胞菌)。自從2005年在EBPR污水廠發(fā)現(xiàn)Dechloromonas菌屬后，日本、中國和丹麥等多國都在各自的污水廠中發(fā)現(xiàn)了高豐度的Dechloromonas菌。丹麥奧爾堡大學(xué)的Per H. Nielson教授的團(tuán)隊(duì)就是這方面的佼佼者。在今年的國際水協(xié)會(huì)在線世界水大會(huì)上，他們研究團(tuán)隊(duì)里的Miriam Peces博士就分享了他們團(tuán)隊(duì)在大型EBPR污水廠發(fā)現(xiàn)的新型聚磷菌。

圖. Per Nielsen教授圖片 | 圖源：IWA Publishing

報(bào)告概況

Miriam Peces博士的報(bào)告題目是《Diversity and ecophysiology of novel polyphosphate accumulating organisms in full-scale EBPR systems》。在這個(gè)報(bào)告里，Miriam Peces給觀眾介紹了兩類PAO菌在污水處理的分布情況，并以其中一種PAO菌為例，闡述PAO菌的生態(tài)生理學(xué)特征，最后分析了PAO菌對(duì)EBPR工藝的貢獻(xiàn)。

圖. 生物除磷和經(jīng)典PAO代謝模型 | 圖源：Miriam PecesPeces Gomez

據(jù)Miriam Peces介紹，他們?cè)?015-2018年間對(duì)丹麥21座污水廠的采樣進(jìn)行了分析，結(jié)果顯示，除了最出名的A菌，還有其他PAO菌，而且A菌的豐度只能排在第三名。有一種Tetrasphaera菌和一種Dechloromonas菌排在A菌的前邊。下圖的PAO菌的分布統(tǒng)計(jì)結(jié)果改變了此前人們對(duì)聚磷菌的認(rèn)識(shí)。

這兩種菌屬于原位PAO菌嗎？為此，他們前往污水廠采集污泥樣品，然后拿回實(shí)驗(yàn)室做經(jīng)典的釋磷/吸磷測(cè)試，然后通過熒光原位雜交法（FISH）做原位分析，在借助拉曼光譜來鑒定微生物的種類。正如Miriam所說，這些工作需耗費(fèi)大量時(shí)間，雖然不是什么高通量的方法，但分析結(jié)果還是十分可靠的。

結(jié)果顯示，樣品中有多種Tetrasphaera菌屬的微生物里發(fā)現(xiàn)了多聚磷酸鹽循環(huán)，所以它們屬于原位聚磷菌，但并沒有找到糖原和PHA的循環(huán)。Miriam表示，沒有了PHA，這些微生物有什么替代的聚合物還尚不清楚。丹麥團(tuán)隊(duì)的這個(gè)發(fā)現(xiàn)，正如此前提及的：并不是所有的PAO菌都有經(jīng)典模型菌屬Candidatus Accumulibacter那樣的代謝機(jī)制。

另一部分的分析結(jié)果顯示，Dechloromonas菌屬中也有多種微生物屬于PAO菌，而且它們的代謝機(jī)理和Candidatus Accumulibacter類似。

PAO的生態(tài)生理學(xué)

Miriam博士在報(bào)告的第二部分，對(duì)PAO的生態(tài)生理學(xué)進(jìn)行了介紹。

圖. MIDAS數(shù)據(jù)的建立過程 | 圖源：sciencedirect

借助從2006年就開始搭建的MIDAS數(shù)據(jù)庫，丹麥奧爾堡大學(xué)的團(tuán)隊(duì)如今已經(jīng)建立了一套完整的研究分析流程。

首先他們對(duì)四座丹麥的大型生物脫氮除磷污水廠進(jìn)行采樣分析。下圖是他們對(duì)其中一種Dechloromonas菌的統(tǒng)計(jì)結(jié)果。結(jié)果顯示，這個(gè)菌株在四個(gè)廠的好氧區(qū)和厭氧區(qū)的胞內(nèi)多聚磷酸的數(shù)量都相當(dāng)接近。

他們繼而得到了一個(gè)潛在代謝圖，如下圖所示。

新型PAO菌對(duì)EBPR系統(tǒng)的貢獻(xiàn)

這些新發(fā)現(xiàn)的PAO菌對(duì)EBPR系統(tǒng)有什么影響和貢獻(xiàn)呢？丹麥的團(tuán)隊(duì)對(duì)四個(gè)污水廠進(jìn)行了磷的物料平衡分析，具體的考察內(nèi)容如下圖所示：

分析結(jié)果顯示，在四個(gè)廠去除的磷中，三種磷的比例是有區(qū)別的。

那么，不同的PAO菌對(duì)除磷的貢獻(xiàn)有什么差別呢？結(jié)果顯示，三種豐度最高的PAO菌屬對(duì)去除多聚磷酸鹽的貢獻(xiàn)率最多也只有50%左右。

剩下的多聚磷酸鹽都是由什么微生物去除的呢？研究團(tuán)隊(duì)的發(fā)現(xiàn)可能讓你覺得有些意外。他們發(fā)現(xiàn)有很大一部分的多聚磷酸鹽，是來自Candidatus Microthrix的貢獻(xiàn)。此前的研究很少將Candidatus Microthrix和PAO菌拉上關(guān)系，但其實(shí)前者在污水廠處理界要十分有名，原因是這種菌會(huì)誘發(fā)污水廠的污泥膨脹。

讀者們可能會(huì)問，那剩余的多聚磷酸鹽又是由什么微生物處理的呢？Miriam博士對(duì)此持一個(gè)開放態(tài)度，她說也許是有其他尚未被確認(rèn)的PAO菌，也有可能是來自像Candidatus Microthrix這類非PAO菌的貢獻(xiàn)。這個(gè)問題有待進(jìn)一步的研究來解答。

無論如何，在這個(gè)報(bào)告里，Miriam Peces博士已經(jīng)給業(yè)界帶來了許多新知識(shí)，最重要的一點(diǎn)，我們現(xiàn)在可以更加確切地知道，無論是菌種或者代謝機(jī)理，PAO菌的多樣性要比我們已知的豐富的多，而丹麥奧爾堡大學(xué)已經(jīng)建立的一套鑒定流程，可幫助各地的污水廠實(shí)現(xiàn)更多的原位鑒定分析。換句話說，研究生物除磷的大門才剛剛開啟。

最后，我們也為各位讀者準(zhǔn)備了Miriam Peces博士報(bào)告內(nèi)容的完整視頻。各位可以點(diǎn)擊以下視頻進(jìn)行回看：

參考資料

https://www.nature.com/articles/s41396-021-01029-2

https://v.qq.com/x/page/y3257ob6xff.html

https://www.youtube.com/watch?v=cWbFAufey0w

https://www.frontiersin.org/articles/10.3389/fmicb.2017.00718/full

http://www.iwapublishing.com/books/9781780404745/experimental-methods-wastewater-treatment