重新認識生物除磷原理：丹麥科學家的聚磷菌分析
強化生物脫氮除磷(EBPR)工藝因其經濟適用性，在污水處理案例中的應用逐漸增多——它無需化學藥劑就能實現磷的去除，回收的生物質還能用作農業肥料。EBPR工藝依靠聚磷菌(PAOs)儲存聚磷酸鹽(poly-P)的能力實現生物除磷。
讀者們可能都對生物除磷的原理略有了解：當暴露在交替的富碳厭氧區和缺碳好氧區時，聚磷菌能釋放部分聚磷酸鹽，然后過量吸收聚磷酸鹽，通過后續的沉淀池將這些吸收了聚磷酸鹽的生物質作泥水分離后，就達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家們已經在實驗室里對它們的代謝路徑進行了大量的研究，并在實際的污水廠里得到了驗證。其中A菌是最常見的模型菌屬，關于聚磷菌經典的PHA（聚羥基烷酸）和糖原吸收釋放理論都是基于A菌的研究。但已經有研究表明，T菌的代謝行為和A菌有所不同，因為他們沒有在T菌中發現原位的PHA或糖原。
這個發現促進了學界對除磷微生物的進一步研究，他們開始發現更多的微生物細胞內含有多聚磷酸鹽，其中包括Dechloromonas菌屬(脫氯單胞菌)。自從2005年在EBPR污水廠發現Dechloromonas菌屬后，日本、中國和丹麥等多國都在各自的污水廠中發現了高豐度的Dechloromonas菌。丹麥奧爾堡大學的Per H. Nielson教授的團隊就是這方面的佼佼者。在今年的國際水協會在線世界水大會上，他們研究團隊里的Miriam Peces博士就分享了他們團隊在大型EBPR污水廠發現的新型聚磷菌。
圖. Per Nielsen教授圖片 | 圖源：IWA Publishing
報告概況
Miriam Peces博士的報告題目是《Diversity and ecophysiology of novel polyphosphate accumulating organisms in full-scale EBPR systems》。在這個報告里，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菌的生態生理學特征，最后分析了PAO菌對EBPR工藝的貢獻。
圖. 生物除磷和經典PAO代謝模型 | 圖源：Miriam PecesPeces Gomez
據Miriam Peces介紹，他們在2015-2018年間對丹麥21座污水廠的采樣進行了分析，結果顯示，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菌的分布統計結果改變了此前人們對聚磷菌的認識。
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，然后拿回實驗室做經典的釋磷/吸磷測試，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，這些工作需耗費大量時間，雖然不是什么高通量的方法，但分析結果還是十分可靠的。
結果顯示，樣品中有多種Tetrasphaera菌屬的微生物里發現了多聚磷酸鹽循環，所以它們屬于原位聚磷菌，但并沒有找到糖原和PHA的循環。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。丹麥團隊的這個發現，正如此前提及的：并不是所有的PAO菌都有經典模型菌屬Candidatus Accumulibacter那樣的代謝機制。
另一部分的分析結果顯示，Dechloromonas菌屬中也有多種微生物屬于PAO菌，而且它們的代謝機理和Candidatus Accumulibacter類似。
PAO的生態生理學
Miriam博士在報告的第二部分，對PAO的生態生理學進行了介紹。
圖. MIDAS數據的建立過程 | 圖源：sciencedirect
借助從2006年就開始搭建的MIDAS數據庫，丹麥奧爾堡大學的團隊如今已經建立了一套完整的研究分析流程。
首先他們對四座丹麥的大型生物脫氮除磷污水廠進行采樣分析。下圖是他們對其中一種Dechloromonas菌的統計結果。結果顯示，這個菌株在四個廠的好氧區和厭氧區的胞內多聚磷酸的數量都相當接近。
他們繼而得到了一個潛在代謝圖，如下圖所示。
新型PAO菌對EBPR系統的貢獻
這些新發現的PAO菌對EBPR系統有什么影響和貢獻呢？丹麥的團隊對四個污水廠進行了磷的物料平衡分析，具體的考察內容如下圖所示：
分析結果顯示，在四個廠去除的磷中，三種磷的比例是有區別的。
那么，不同的PAO菌對除磷的貢獻有什么差別呢？結果顯示，三種豐度最高的PAO菌屬對去除多聚磷酸鹽的貢獻率最多也只有50%左右。
剩下的多聚磷酸鹽都是由什么微生物去除的呢？研究團隊的發現可能讓你覺得有些意外。他們發現有很大一部分的多聚磷酸鹽，是來自Candidatus Microthrix的貢獻。此前的研究很少將Candidatus Microthrix和PAO菌拉上關系，但其實前者在污水廠處理界要十分有名，原因是這種菌會誘發污水廠的污泥膨脹。
讀者們可能會問，那剩余的多聚磷酸鹽又是由什么微生物處理的呢？Miriam博士對此持一個開放態度，她說也許是有其他尚未被確認的PAO菌，也有可能是來自像Candidatus Microthrix這類非PAO菌的貢獻。這個問題有待進一步的研究來解答。
無論如何，在這個報告里，Miriam Peces博士已經給業界帶來了許多新知識，最重要的一點，我們現在可以更加確切地知道，無論是菌種或者代謝機理，PAO菌的多樣性要比我們已知的豐富的多，而丹麥奧爾堡大學已經建立的一套鑒定流程，可幫助各地的污水廠實現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備了Miriam Peces博士報告內容的完整視頻。各位可以點擊以下視頻進行回看：
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