强化生物除磷的研究进展

就水涨船高，强化生物除磷也就更受重视［１］。 强化生物除磷利用复杂的微生物生态系统，在
过去 ５￣１０ 年的研究中，人们综合利用了从单细胞微 生物学到各种组学方法的现代分子方法来了解其复 杂性。尽管这些方法是费力的，但人们通过对大量 强化生物除磷工厂的研究，已经鉴定出了几种核心 微生物，并且这种可预测性使结果适用于其他相似 的处理工艺。此外，发现其明确定义的天然边界、 适度的微生物复杂性以及可复制的定量分析潜力， 使它成为研究微生物生态学的独特模型。
虽然大多数组学研究都在特定微生物高度集成 的实验室进行，并且有了重要的发现，但转向工业 生产时也要谨慎。尽管对强化生物除磷工厂中的大 多数细菌都已经用荧光原位杂交方法进行了基因鉴 定，结果显示只有 ２￣３ 种有基因高度相似。这不利 于工厂中其他微生物详细的转录组学和蛋白组学研 究，而只能获得普遍的群落信息。因此，通过单细 胞基因学或者深度测序获得与核心物种紧密关联的 参照基因组尤其重要。
１ 聚磷酸盐微生物
聚磷酸盐微生物可以除去废水中大多数的磷， 是强化生物除磷方法中的关键微生物，聚磷酸盐微 生物有机磷含量较高 （有机磷占干质量 １２％，而非 聚磷酸盐微生物只占 ３％），可以通过污泥沉淀用于
收稿日期：２０１４－０７－２１ 基金项目：国家自然科学基金项目 （２１３７６１２９）。 作者简介：刘 慧 （１９９０— ），女，在读硕士，研究方向为药物合成。
强化生物除磷主要采用固定床反应器，反应器 的结构如何影响强化生物除磷微生物群落的结构仍 未 知 ， 但 是 在 全 规 模 工 厂 ［８］、 实 验 室 微 粒 反 应 器 ［９］、 膜生物反应器［１０］及除氮的非强化生物除磷工厂［１１］中也 发现了核心微生物，液固分离方法对于群落的形成 有重要作用。微生物形成絮状物和微粒的能力决定 了它们能否在工厂中存活，这对于膜生物反应器的 影响不大。
聚磷酸盐积累微生物对于磷的除去很重要，聚 磷酸盐积累微生物只占强化生物除磷微生物群落的 １５％￣２５％［６］。参与水解、发酵、硝化、反硝化等代谢 过程的其他微生物同样重要。一个关于 ２５ 个丹麦强 化生物除磷工厂的研究表明，尽管工厂设计、装载 量、废水特点及操作存在差异，但微生物群落却有 着相似的多样性，因此建议将共同拥有的主要微生 物称为强化生物除磷的核心微生物。研究中应用到 了克隆文库技术与定量荧光原位杂交技术，而定量 荧光原位杂交方法使用了大量的特异性寡核苷酸序 列，因而无法测出物种变异，希望将来有更精确的 方法。核心微生物在其他生态系统中也存在［７］。
能力。其中，需要解决的基本问题有碳、氮、磷、 微污染物、病原体的有效去除；良好的固液分离特 性；稳定的操作；微生物生态学的基本问题等。
全规模强化生物除磷核心微生物的存在表明， 某些微生物的存在对这个过程是至关重要的，因此 更多地了解这些微生物以及它们的相互作用将会有 助于将基本的生态学理论运用到其他废弃物处理系 统中。对于起主要功能的核心物种，其关键是物质 转化过程、固液分离特性 （絮状物 ／ 菌膜形成）、生 长控制的方法 （例如移除 ／ 非目标菌的控制）。
０ 引言
生物废水处理是目前世界上最大的生物技术工 业之一，它对于保护人类的健康以及环境意义重大。 作为经济的能量来源，诸如生物塑料、有附加值的 化学品以及非可再生资源等，受到人们越来越多的 认可。强化生物除磷是最现代化的废水处理方法之 一，这是一种完全采用活性污泥系统进行微生物除 磷的工艺。强化生物除磷工艺利用聚磷菌 （ＰＡＯ） 能够过量的，在数量上超过其生理需要的，从外部 环境中摄取磷，并将磷以聚合磷的形式贮藏在体内， 形成高磷污泥，排出系统外，达到从废水中除磷的 效果。强化生物除磷方法不仅可以除去废水中含碳、 氮、磷的污染物，它也可以更容易地重新利用其中 的磷，这是传统的化学法沉淀磷所无法比拟的。由 于对磷的需求与有限的全球储备矛盾，磷的价格也
强化生物除磷系统也适合做详细的微生物生态 学基础性研究，例如群落新陈代谢网络的构建［６］，微 生物多样性的重要性 ， ［１６］ 群落控制的关键因素噬菌 体［１７］，生态位分化，除氮细菌的功能性冗余［１８］以及丝 状体的数量动态［１２］。为了建立和控制群落，还需研发 更通用的方法来揭示影响此类微生物生态系统的一 般规律。
强化生物除磷工厂的核心硝化螺菌生理机能十 分灵活。最近发表的全基因组［２４］为它的生态生理学提 供了佐证，并且确认了之前关于它们不仅氧化氮而 且氧化有机底物 （如丙酮酸酯） 的研究。基因组进 一步显示了较低氮浓度有利于氮氧化还原的取向， 这也是硝化螺菌比其他亚硝酸化氧化细菌具有更强 的氮亲和力，以及它们在大多全规模工厂中超过硝 化螺菌的原因，目前也发现一些在强化生物除磷系 统中比例较大［１８，２５－２６］且功能多样的除氮细菌。在全规 模工厂中，有关水解和发酵的细菌研究尚不完善。 但最近的研究表明水解是由特定的物种完成的，例 如产生脂肪酶消耗长链脂肪酸的放线菌属［１３］以及产生 蛋白酶消耗氨基酸的绿弯菌［１５，２７］。在强化生物除磷系 统中已经发现了几种常见的发酵细菌［５］，这占了群落 的绝大部分，其中主要是厚壁菌和放线菌。 １．４ 对固液分离重要的细菌形态学与物理特性
Ｒｅｖｉｅｗ ｏｎ ｔｈｅ Ｅｎｈａｎｃｅｄ Ｂｉｏｌｏｇｉｃａｌ Ｐｈｏｓｐｈｏｒｕｓ Ｒｅｍｏｖａｌ
ＬＩＵ Ｈｕｉ （Ｃｏｌｌｅｇｅ ｏｆ Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｑｉｎｇｄａｏ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ Ｓｃｉｅｎｃｅ ａｎｄ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｑｉｎｇｄａｏ，Ｓｈａｎｄｏｎｇ ２６６０４２，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ： Ｅｎｈａｎｃｅｄ ｂｉｏｌｏｇｉｃａｌ ｐｈｏｓｐｈｏｒｕｓ ｒｅｍｏｖａｌ （ＥＢＰＲ） ｉｓ ｏｎｅ ｏｆ ｔｈｅ ｍｏｓｔ ａｄｖａｎｃｅｄ ａｎｄ ｃｏｍｐｌｉｃａｔｅｄ ｗａｓｔｅｗａｔｅｒ ｔｒｅａｔｍｅｎｔ ｐｒｏｃｅｓｓｅｓ ａｐｐｌｉｅｄ ｔｏｄａｙ ｉｓ ｂｅｃｏｍｉｎｇ ｉｎｃｒｅａｓｉｎｇｌｙ ｐｏｐｕｌａｒ ａｓ ａ ｓｕｓｔａｉｎａｂｌｅ ｗａｙ ｔｏ ｒｅｍｏｖｅ ａｎｄ ｐｏｔｅｎｔｉａｌｌｙ ｒｅｕｓｅ Ｐｈｏｓｐｈｏｒｕｓ． Ｉｔ ｉｓ ｃａｒｒｉｅｄ ｏｕｔ ｂｙ ｃｏｍｐｌｅｘ ｍｉｃｒｏｂｉａｌ ｃｏｍｍｕｎｉｔｉｅｓ ｃｏｎｓｉｓｔｉｎｇ ｐｒｉｍａｒｉｌｙ ｏｆ ｕｎｃｕｌｔｕｒｅｄ ｍｉｃｒｏ ｏｒｇａｎｉｓｍｓ． Ｔｈｅ ＥＢＰＲ ｐｒｏｃｅｓｓ ｉｓ ａ ｗｅｌｌ－ｓｔｕｄｉｅｄ ｓｙｓｔｅｍ ｗｉｔｈ ｃｌｅａｒｌｙ ｄｅｆｉｎｅｄ ｂｏｕｎｄａｒｉｅｓ ｗｈｉｃｈ ｍａｋｅｓ ｉｔ ｖｅｒｙ ｓｕｉｔａｂｌｅ ａｓ ａ ｍｏｄｅｌ ｅｃｏｓｙｓｔｅｍ ｉｎ ｍｉｃｒｏｂｉａｌ ｅｃｏｌｏｇｙ． Ｗｈａｔ＇ｓ ｍｏｒｅ ｉｍｐｏｒｔａｎｔ ｉｓ ｔｈａｔ ｔｈｅ ｔｒａｎｓｆｏｒｍａｔｉｏｎｓ ｏｆ Ｃ，Ｎ，ａｎｄ Ｐ，ｔｈｅ ｓｏｌｉｄ－ｌｉｑｕｉｄ ｓｅｐａｒａｔｉｏｎ ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ ａｎｄ ｔｈｅ ｆｕｎｃｔｉｏｎａｌ ａｎｄ ｓｔｒｕｃｔｕｒａｌ ｓｔａｂｉｌｉｔｙ． ＥＢＰＲ ｃｏｒｅ ｍｉｃｒｏｂｉｏｍｅ ｈａｓ ｂｅｅｎ ｄｅｓｃｒｉｂｅｄ ａｎｄ ｗｅ ｓｈｏｗ ｈｏｗ ｔｈｅ ｒｅｌｅｖａｎｔ ｃｏｍｐｌｅｘ ｍｉｃｒｏｂｉａｌ ｃｏｍｍｕｎｉｔｙ ｃａｎ ｂｅ ｕｓｅｄ ａｓ ｍｏｄｅｌ ｅｃｏｓｙｓｔｅｍ ｉｎ ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔａｌ ｂｉｏｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ： ｅｎｈａｎｃｅｄ ｂｉｏｌｏｇｉｃａｌ ｐｈｏｓｐｈｏｒｕｓ ｒｅｍｏｖａｌ； ｃｏｒｅ ｍｉｃｒｏｂｉｏｍｅ； ｐｏｌｙｐｈｏｓｐｈｏｒｕｓ－ａｃｃｕｍｕｌａｔｉｎｇ ｏｒｇａｎｉｓｍｓ； ｇｌｙｃｏ－ ｇｅｎ－ａｃｃｕｍｕｌａｔｉｎｇ ｏｒｇａｎｉｓｍｓ；ｂａｃｔｅｒｉａｌ ｍｏｒｐｈｏｌｏｇｙ
还有几种其他的微生物是聚磷酸盐微生物，但 只有放线属四环球菌在强化生物除磷工厂中含量较 为丰富［４］。在原位和全规模的系统中，ＣＡＰ 和四环球 菌这 ２ 种聚磷酸盐积累微生物都已经被广泛研究， 并且四环球菌比 ＣＡＰ 有更好的生理适应能力 （如发 酵） ［５］。其他尚未发现的聚磷酸盐积累微生物所占的 生态位，以及它们对工厂功能及稳定性的重要性需 要进一步研究。 １．１ 强化生物除磷的核心微生物
由于聚糖菌竞争者会造成强化生物除磷系统不稳 定，因而引起了人们的注意。竞争者会影响聚糖菌厌 氧条件下对底物的吸收，但它却不能去除磷［２２］，进而 影响除磷的能力。２０ ℃以上竞争菌会存在竞争优 势［２３］，因此在温暖环境下它们是最大的影响因素，应 更深入研究这些竞争菌来找到适用于全规模工厂的 聚糖菌控制方法。
第 １１ 期 （总第 ３７０ 期） ２０１４ 年 １１ 月
文章编号：１６７１－９６４６ （２０１４） １１ａ－００４８－０４
农产品加工
农产品加工 Ｆａｒｍ Ｐｒｏｄｕｃｔｓ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ
２０１４ 年第 １１ 期
Ｎｏ．１１ Ｎｏｖ．
强化生物除磷的研究进展
刘慧
（青岛科技大学 化工学院，山东 青岛 ２６６０４２）
氮、磷的转化，液固分离特性以及结构和功能的稳定性。综述强化生物除磷方法的优势，以及其中所涉及的微生物
群落将如何应用为环保生物技术的系统模型。
关键词：强化生物除磷；核心微生物；聚磷酸盐微生物；聚糖菌；细菌形态学
中图分类号：Ｘ７０３
文献标志码：Ａ
ｄｏｉ：１０．３９６９／ｊｉｓｓｎ．１６７１－９６４６（Ｘ）．２０１４．１１．０１５
絮状细菌通常数量庞大且会降低沉淀能力，絮 状细菌很好地证明了数量的控制方法。由于生态学 鉴定研究越来越深入［１３］，现在已经可以通过改变工厂 设计、工艺设计及化学药品的添加对一些非目的细 菌进行特定的控制［１４］。
强化生物除磷群落研究，充分体现了将组学方 法与单细胞微生物学结合的重要性。例如，利用形 象的立体结构以及表型特点研究证明了微粒群落中 分层的存在与重要性［９］，及某个絮状绿弯菌和附生的 腐螺旋菌之间可能存在共生关系，这在强化生物除 磷工厂中是很常见的［１５］。
近期研究发现，模型生态系统定量分析的机会 尤其重要。在很多天然的微生物生态系统中，时间 和空间的变化使研究进展困难［１９］。然而很多人工系统 通过新陈代谢网络对物质和能量通量分析与定量， 现在已经建立了单一物种的细胞内新陈代谢路线模 型和细菌间竞争关系数学模型［２０］。在将来，为了建立 更具有预测性的群落模型，细胞内代谢通量模型有 望在整体上与系统规模的工艺模型或综合系统微生 物学联系起来［２１］。 １．３ 高度动态条件下的生活
强化生物除磷工厂的功能稳定性和抗干扰能力 对于工厂的操作至关重要，并且在运营良好的丹麦 工厂中这些能力都相当高。强化生物除磷工厂中群 落的基因水平是相对稳定的［６，１２］，但关于群落稳定性 的关键影响因素需进一步研究。 １．２ 强化生物除磷作为模型系统
深入研究工艺中微生物群落以及他们的相互作 用，可以有效地改善工厂设计、操作以及故障排查
摘要：强化生物除磷是当今应用最先进和最复杂的废水处理方法之一，作为一种除去与重新利用磷的经济方法，在
世界上越来越受欢迎。强化生物除磷主要利用复杂的微生物群落，其中主要是未经人工培养的微生物。强化生物除
磷系统明确清晰的界限使它成为一种非常可行的微生物生态学生态系统模型且被广泛研究，更重要的是系统对碳、
２０１４ 年第 １１ 期
刘 慧：强化生物除磷的研究进展
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磷再利用。根据 Ｈｅ 和 Ｍｃ Ｍａｈｏｎ 的研究［２］，一种红 环 菌 属 被 称 作 Candidatus accuwk.baidu.comulibacter phosphatis （ＣＡＰ） 的细菌是全规模工厂中重要的聚磷酸盐微生 物。ＣＡＰ 菌株可以在实验室规模的反应器中进行高 度富集，这也使得进行详细的新陈代谢分析及建模 成 为 可 能 ［３］。 它 们 拥 有 非 同 寻 常 的 新 陈 代 谢 平 衡 能 力，这使得它们在研究强化生物除磷的动态学方面 有很大优势。在厌氧条件下，ＣＡＰ 可进行底物摄取 以及聚羟基脂肪酸酯存储，而大多数其他快速生长 的细菌在此条件下是不活跃的，然后在氧气和硝酸 盐的条件下就会进行生长以及磷的摄取与存储。
强化生物除磷工艺利用了生长着各种进行物质
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农产品加工
２０１４ 年第 １１ 期
转化微生物 （硝化细菌、去硝化细菌等） 的动态环 境。因此，建议选择动态条件下活跃时期多、新陈 代谢多样的微生物，而不仅仅是某个条件下特别适 合的物种。强化生物除磷系统核心微生物的细致研 究，对新陈代谢多样性有了深入了解。