研究綜述 | 生物除磷：T菌作用大于A菌？
導(dǎo)言：強化生物除磷（EBPR）工藝被廣泛應(yīng)用于污水脫氮除磷，其機理和相對于化學(xué)除磷工藝的優(yōu)勢在此不再贅述，我們傳統(tǒng)認知均以Accumulibacter菌（A菌）作為主要的PAOs菌，生物除磷數(shù)學(xué)模擬技術(shù)也是以A菌的代謝作為PAOs代謝進行模擬。然而，一直以來生物除磷對運行條件的苛刻和除磷效果的不穩(wěn)定促使對生物除磷的研究一直未停歇，F(xiàn)代分子生物學(xué)技術(shù)的進步使我們可從更深層次探究生物除磷的主角和機理，在此背景下，丹麥一研究團隊在丹麥的部分污水處理廠中發(fā)現(xiàn)Tetrasphaera菌（T菌）豐度遠遠大于A菌（35% vs 17%），且T菌具有吸磷-釋磷的特性。這再次引發(fā)了對T菌的興趣和思考，T菌如此高的豐度是否具有普遍性？T菌高豐度存在的合理性是什么（相對于A菌的優(yōu)勢）？T菌在生物除磷中的角色和能力到底如何？本文基于組內(nèi)之前發(fā)表的文章，通過對T菌證實發(fā)現(xiàn)以及研究過程梳理，簡要介紹下T菌豐度、代謝途徑及活性影響因素方面的研究進展。
T菌發(fā)現(xiàn).發(fā)展極簡史
對T菌的相關(guān)研究要比A菌晚得多，最早對T菌的研究報道可回溯至1994年，但是，對T菌的重要認知也僅僅是近十年的事情。從T菌整個發(fā)展過程來看，可大致分為三個階段：
...........................
01 菌群鑒別與分類階段
1994年，Wagner等檢測到一類區(qū)別于A菌的聚磷微生物，最高可占到總生物量的36%，然而，當(dāng)時對PAOs的研究主要集中于A菌，所以，此次發(fā)現(xiàn)并沒有引起過多的關(guān)注。隨后，不同地區(qū)學(xué)者均分離出了此類聚磷微生物的純種菌株，繼而在2000年，Maszanan等將發(fā)現(xiàn)的幾種不同菌株統(tǒng)一歸入并命名為Tetraspharea菌屬。截止目前，該菌屬包含三個分支共計7個菌株。隨后幾年時間，對T菌的研究零零散散，并未成為主流研究方向。值得一提的是Kong等的研究，其在2005年對丹麥10座污水處理廠中最高檢測到了35 %的T菌豐度，而A菌平均豐度只有9~17 %；尤其重要的是，這是研究人員第一次在動態(tài)條件下（厭氧-好氧）證明了T菌的釋磷/吸磷特性，正式確認其是一種新的PAOs。
02 菌群豐度檢測及除磷能力辨析階段
在2007至2011年間，研究人員對T菌在不同國家和地區(qū)實際污水處理廠中豐度進行了大量監(jiān)測，均檢測到了高豐度的T菌存在，同時，不同研究結(jié)果也再次證明了T菌具有的釋磷吸磷能力。需要強調(diào)的是，盡管期間部分研究強調(diào)T菌的“重要作用”、“重要功能”、“重新審視已有的EBPR模型”，但類似結(jié)論僅依靠T菌之高豐度或者異位培養(yǎng)純化實驗獲得，只能說明T菌擁有“這個能力”，仍不具有足夠的信服力表明T菌在實際生物池中發(fā)揮了這種能力。從彼時起，對T菌的研究遂開始日益增多，研究重點也轉(zhuǎn)移至對T菌生理及代謝路徑的探究。
03 生理學(xué)及代謝研究階段
2012年以后，對T菌代謝途徑的厘清成了探究的重點之一，尤其是與A菌代謝的異同，包括反硝化除磷能力、可利用的碳源類型、內(nèi)聚物類型等，使我們對T菌的認識更加深入。在此階段需要特別介紹的是拉曼光譜技術(shù)的輔助應(yīng)用，將其與FISH技術(shù)配合，使我們能夠原位區(qū)分T菌和A菌細胞中的內(nèi)聚物量（Poly-P和糖原）。2019年，F(xiàn)ernando等引入拉曼光譜技術(shù)，對丹麥8個污水處理廠的生物除磷進行了原位分析，結(jié)果顯示T菌豐度在5個污水處理廠中相比A菌占優(yōu)勢，在6個污水處理廠中除磷貢獻比高于A菌。屬首次實際污水處理廠內(nèi)原位定量了T菌對系統(tǒng)磷去除的貢獻，第一次在實際污水處理環(huán)境下證明了T菌具有與A菌相當(dāng)?shù)某棕暙I和能力。
T菌生理和代謝途徑
盡管目前關(guān)于T菌生理特性和代謝路徑還未被完全揭示、且目前有關(guān)其代謝路徑的報道仍存在矛盾，但T菌相對于A菌獨有的一些生理學(xué)特點逐漸明晰：1）T菌具有發(fā)酵能力，可以依靠發(fā)酵代謝進行細胞維持或增殖；2）實際污水處理廠中豐度最大T菌（T. elongata）在除磷代謝時無法合成PHA作為儲能物質(zhì)；3）T菌可以利用氨基酸等碳源進行厭氧釋磷。這些生理學(xué)特點賦予了T菌更大的環(huán)境適應(yīng)能力，可在不同的生態(tài)位得以生長繁殖。例如，T菌可吸收利用大分子有機物并降解為小分子物質(zhì)排出胞外，不僅可以此維持自身代謝延續(xù)且發(fā)酵產(chǎn)物可供給其它異養(yǎng)細菌代謝利用（譬如為A菌提供碳源），由此可知T菌與A菌具有協(xié)同代謝共同完成生物除磷的潛力，這也許是其在污水處理廠中豐度較A菌高的原因之一。
另外，T菌這些不同于A菌的生理特性也賦予其多種潛在的除磷代謝路徑。由于污水廠豐度最大的T菌已被證明無法合成PHA，這就帶來了構(gòu)建T菌除磷代謝路徑的首要問題——PHA的替代內(nèi)聚物是什么或者說是哪種內(nèi)聚物代替PHA提供吸磷的能量供給呢？目前共有三種假說代謝模型，構(gòu)建了T菌生物除磷的代謝路徑：1）糖原假說（圖1）；2）游離氨基酸假說（圖2）；3）發(fā)酵假說（圖3）。顧名思義，假說1認為是糖原代替了PHA的角色，在T菌除磷代謝中發(fā)揮了重要作用；然而，F(xiàn)ernando等無論在純種培養(yǎng)環(huán)境還是實際污水廠中，均未檢測到T菌胞內(nèi)存在糖原，因此，糖原是否為T菌進行除磷代謝的內(nèi)聚物仍待研究確認。除糖原外，游離氨基酸亦可能是T菌厭氧環(huán)境下的儲能內(nèi)聚物。除此之外，由于T菌具有的發(fā)酵能力，假說3提出T菌在以葡萄糖、天冬氨酸、谷氨酸或甘氨酸作為唯一碳源時，可利用其進行發(fā)酵代謝，該代謝途徑產(chǎn)生的ATP可滿足糖原合成和細胞維持的需要，甚至富余推動對PO43-吸收，因此提出了T菌厭氧吸磷代謝模型（圖3），這一假說仍有待進一步探究。
對T菌代謝影響因素的研究能夠讓我們更好地了解T菌的生長增殖環(huán)境，以利于我們更好地控制其充分發(fā)揮除磷能力。從已有的文獻可知，對T菌影響較大的因素包括ORP、溫度和進水組分。ORP因素與A菌無異，一般認為厭氧段ORP是維持A菌與其它異養(yǎng)細菌對碳源競爭優(yōu)勢及其除磷性能的關(guān)鍵因素，這同樣適用于T菌。但是，T菌對ORP的要求更高，一般認為只有該值低于-200 mV才適宜T菌生長繁殖。然而實際污水處理廠檢測到的高T菌豐度表明ORP對T菌的影響仍有待進一步確認。
已知的數(shù)據(jù)顯示，進水組分中工業(yè)廢水的比例越高，T菌的豐度越大。同時在丹麥等北歐地區(qū)，污水水溫處于10-20℃，T菌在當(dāng)?shù)鼐哂懈哓S度。而澳洲和新加坡地區(qū)，污水水溫在20-30℃，T菌處于低豐度。如下圖（圖4）所示（圓的直徑表示T菌豐度），盡管在高溫地區(qū)對T菌的檢測報道仍然較少，高溫似乎并不利于T菌的增殖；而對比有無工業(yè)廢水時的T菌豐度結(jié)果可知（不考慮斜線填充圓，因為這些點代表了S2EBPR檢測結(jié)果，而S2EBPR提供了T菌增殖的環(huán)境），進水有工業(yè)廢水時，T菌豐度確實有所提高。
結(jié)語
T菌作為“潛伏者”是新近發(fā)現(xiàn)的一類具有生物除磷功能的聚磷菌，其生理特性也引起了學(xué)者的極大興趣，且具有非常大的應(yīng)用潛力。然而，基于上述的介紹我們可知，目前我們對T菌的認識并不十分確信和清楚，尤其是T菌的復(fù)雜和多面代謝路徑，這極有可能導(dǎo)致T菌既存在除磷的代謝路徑也存在不除磷的代謝路徑，而我們?nèi)绾芎玫乜刂芓菌充分完成除磷代謝則是我們努力的方向之一。
使用微信“掃一掃”功能添加“谷騰環(huán)保網(wǎng)”
