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重新认识生物除磷原理:丹麦科学家的聚磷菌分析

发布日期:2021-12-16 来源:IWA国际水协会

强化生物脱氮除磷(EBPR)工艺因其经济适用性,在污水处理案例中的应用逐渐增多——它无需化学药剂就能实现磷的去除,回收的生物质还能用作农业肥料。EBPR工艺依靠聚磷菌(PAOs)储存聚磷酸盐(poly-P)的能力实现生物除磷。

读者们可能都对生物除磷的原理略有了解:当暴露在交替的富碳厌氧区和缺碳好氧区时,聚磷菌能释放部分聚磷酸盐,然后过量吸收聚磷酸盐,通过后续的沉淀池将这些吸收了聚磷酸盐的生物质作泥水分离后,就达到了污水除磷的效果。

. 生物除磷的原理 | 图源:UNESCO-IHE

聚磷菌是单一菌种吗?答案显然是否定的。目前而言,Candidatus Accumulibacter菌属(也被称作A)Tetrasphaera菌属(也被称作T)是两种常见的聚磷菌。科学家们已经在实验室里对它们的代谢路径进行了大量的研究,并在实际的污水厂里得到了验证。其中A菌是最常见的模型菌属,关于聚磷菌经典的PHA(聚羟基烷酸)和糖原吸收释放理论都是基于A菌的研究。但已经有研究表明,T菌的代谢行为和A菌有所不同,因为他们没有在T菌中发现原位的PHA或糖原。

这个发现促进了学界对除磷微生物的进一步研究,他们开始发现更多的微生物细胞内含有多聚磷酸盐,其中包括Dechloromonas菌属(脱氯单胞菌)。自从2005年在EBPR污水厂发现Dechloromonas菌属后,日本、中国和丹麦等多国都在各自的污水厂中发现了高丰度的Dechloromonas菌。丹麦奥尔堡大学的Per H. Nielson教授的团队就是这方面的佼佼者。在今年的国际水协会在线世界水大会上,他们研究团队里的Miriam Peces博士就分享了他们团队在大型EBPR污水厂发现的新型聚磷菌。

. Per Nielsen教授图片 | 图源:IWA Publishing

报告概况

Miriam Peces博士的报告题目是《Diversity and ecophysiology of novel polyphosphate accumulating organisms in full-scale EBPR systems》。在这个报告里,Miriam Peces给观众介绍了两类PAO菌在污水处理的分布情况,并以其中一种PAO菌为例,阐述PAO菌的生态生理学特征,最后分析了PAO菌对EBPR工艺的贡献。

. 生物除磷和经典PAO代谢模型 | 图源:Miriam PecesPeces Gomez

Miriam Peces介绍,他们在2015-2018年间对丹麦21座污水厂的采样进行了分析,结果显示,除了最出名的A菌,还有其他PAO菌,而且A菌的丰度只能排在第三名。有一种Tetrasphaera菌和一种Dechloromonas菌排在A菌的前边。下图的PAO菌的分布统计结果改变了此前人们对聚磷菌的认识。

这两种菌属于原位PAO菌吗?为此,他们前往污水厂采集污泥样品,然后拿回实验室做经典的释磷/吸磷测试,然后通过荧光原位杂交法(FISH)做原位分析,在借助拉曼光谱来鉴定微生物的种类。正如Miriam所说,这些工作需耗费大量时间,虽然不是什么高通量的方法,但分析结果还是十分可靠的。

结果显示,样品中有多种Tetrasphaera菌属的微生物里发现了多聚磷酸盐循环,所以它们属于原位聚磷菌,但并没有找到糖原和PHA的循环。Miriam表示,没有了PHA,这些微生物有什么替代的聚合物还尚不清楚。丹麦团队的这个发现,正如此前提及的:并不是所有的PAO菌都有经典模型菌属Candidatus Accumulibacter那样的代谢机制。

另一部分的分析结果显示,Dechloromonas菌属中也有多种微生物属于PAO菌,而且它们的代谢机理和Candidatus Accumulibacter类似。

PAO的生态生理学

Miriam博士在报告的第二部分,对PAO的生态生理学进行了介绍。

. MIDAS数据的建立过程 | 图源:sciencedirect

借助从2006年就开始搭建的MIDAS数据库,丹麦奥尔堡大学的团队如今已经建立了一套完整的研究分析流程。

首先他们对四座丹麦的大型生物脱氮除磷污水厂进行采样分析。下图是他们对其中一种Dechloromonas菌的统计结果。结果显示,这个菌株在四个厂的好氧区和厌氧区的胞内多聚磷酸的数量都相当接近。

他们继而得到了一个潜在代谢图,如下图所示。

新型PAO菌对EBPR系统的贡献

这些新发现的PAO菌对EBPR系统有什么影响和贡献呢?丹麦的团队对四个污水厂进行了磷的物料平衡分析,具体的考察内容如下图所示:

分析结果显示,在四个厂去除的磷中,三种磷的比例是有区别的。

那么,不同的PAO菌对除磷的贡献有什么差别呢?结果显示,三种丰度最高的PAO菌属对去除多聚磷酸盐的贡献率最多也只有50%左右。

剩下的多聚磷酸盐都是由什么微生物去除的呢?研究团队的发现可能让你觉得有些意外。他们发现有很大一部分的多聚磷酸盐,是来自Candidatus Microthrix的贡献。此前的研究很少将Candidatus MicrothrixPAO菌拉上关系,但其实前者在污水厂处理界要十分有名,原因是这种菌会诱发污水厂的污泥膨胀。

读者们可能会问,那剩余的多聚磷酸盐又是由什么微生物处理的呢?Miriam博士对此持一个开放态度,她说也许是有其他尚未被确认的PAO菌,也有可能是来自像Candidatus Microthrix这类非PAO菌的贡献。这个问题有待进一步的研究来解答。

无论如何,在这个报告里,Miriam Peces博士已经给业界带来了许多新知识,最重要的一点,我们现在可以更加确切地知道,无论是菌种或者代谢机理,PAO菌的多样性要比我们已知的丰富的多,而丹麦奥尔堡大学已经建立的一套鉴定流程,可帮助各地的污水厂实现更多的原位鉴定分析。换句话说,研究生物除磷的大门才刚刚开启。

最后,我们也为各位读者准备了Miriam Peces博士报告内容的完整视频。各位可以点击以下视频进行回看:

 

参考资料

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