側(cè)流磷回收與磷去除工藝中的微生物學(xué)研究進展*

高 丹 朱政豫 李詠梅,2#

(1.同濟大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，污染控制與資源化研究國家重點實驗室，上海 200092；2.上海污染控制與生態(tài)安全研究院，上海 200092)

磷由磷礦石開采產(chǎn)生，是人類社會中不可或缺的一種非金屬元素。目前，不可再生的磷礦石資源開采需求日益增大，同時磷的過量排放也會導(dǎo)致水體富營養(yǎng)化等生態(tài)環(huán)境污染問題。除了農(nóng)業(yè)上的磷流失，城鎮(zhèn)生活污水是人類向自然環(huán)境排放磷的另一個主要途徑。隨著城市化的發(fā)展與管網(wǎng)的完善，城市污水處理廠變成潛在的磷富集設(shè)施，如果對生活污水中的磷進行回收，其中的磷含量可以滿足全球約15%～20%的磷礦石需求[1]。因此，從污水中經(jīng)濟有效、可持續(xù)地回收磷是近年來的研究熱點。

城市污水處理廠中的磷回收大致有兩類方法：一是在污泥處理過程中進行回收；二是在污水處理過程中進行回收，即側(cè)流磷回收。相較于前者，側(cè)流磷回收工藝成本更低，回收效率也更穩(wěn)定[2]764。通常側(cè)流磷回收工藝會與強化生物除磷(EBPR)系統(tǒng)相結(jié)合，以保證在污泥中富集充足的磷，便于后續(xù)通過不同手段進行磷釋放及回收。EBPR系統(tǒng)中的厭氧池富含磷，可以直接從中將泥水混合物引入側(cè)流，對富磷上清液進行回收處理；此外，可將好氧池或二沉池中污泥引入側(cè)流裝置，使其在厭氧環(huán)境下將細胞內(nèi)的聚磷酸鹽(poly-P)分解釋放，然后對富磷上清液進行回收，釋磷污泥回流至主流工藝系統(tǒng)[3]。

基于不同位置的磷回收衍生出諸多側(cè)流磷回收工藝，如生物化學(xué)除磷(BCFS)工藝[4]、基于AAO的側(cè)流磷回收(AAO-SBSPR)工藝[2]763-773、雙污泥反硝化聚磷-誘導(dǎo)結(jié)晶磷回收(A2N-IC)工藝[5]等。這類工藝多是將傳統(tǒng)污水生物處理技術(shù)與側(cè)流磷回收相結(jié)合，以達到污染物去除與資源回收的雙重目的。

近年來側(cè)流EBPR工藝也逐漸受到關(guān)注[6]，這是一種側(cè)流磷去除工藝，與側(cè)流磷回收工藝相似，但并不分離處理厭氧反應(yīng)后的富磷上清液。側(cè)流EBPR工藝是對傳統(tǒng)EBPR進行改進，在其基礎(chǔ)上加入側(cè)流結(jié)構(gòu)，從主流工藝中分流出部分污泥進行厭氧水解發(fā)酵，然后再回到主流系統(tǒng)，該工藝可以提高系統(tǒng)的磷去除效率，改善傳統(tǒng)EBPR依賴進水碳源負荷、性能不穩(wěn)定等缺陷[7]8。

側(cè)流磷回收與磷去除工藝需關(guān)注的問題包括側(cè)流對主流系統(tǒng)運行性能、污泥物化性質(zhì)的影響及其內(nèi)在微生物作用機制等。微生物的組成、豐度、代謝等對工藝運行的穩(wěn)定性和效果具有顯著影響。目前，傳統(tǒng)EBPR工藝中的微生物研究已較為豐富，但側(cè)流磷回收與磷去除工藝中的微生物作用機制研究尚處于起步階段。為此，筆者就目前側(cè)流磷回收與磷去除工藝中的微生物群落結(jié)構(gòu)、功能微生物(尤其是磷相關(guān)功能微生物)的動態(tài)變化等研究進展進行總結(jié)與討論。

1 側(cè)流磷回收工藝

1.1 微生物群落結(jié)構(gòu)及多樣性

各研究采用的側(cè)流磷回收工藝結(jié)構(gòu)和運行條件不盡相同，其微生物群落組成則能在較大的分類水平上呈現(xiàn)出共性。隨著分類水平的細化，微生物群落結(jié)構(gòu)顯現(xiàn)出差異，本節(jié)僅討論科及以上分類水平的群落結(jié)構(gòu)。現(xiàn)有研究中，門分類水平微生物中變形菌門(Proteobacteria)豐度最高。β-變形菌綱(β-Proteobacteria)是變形菌門中的主要菌群，其在脫氮除磷方面扮演了重要的角色[8]251。與硝化作用有關(guān)的亞硝化單胞菌屬(Nitrosomonas)、亞硝化螺菌屬(Nitrosospira)，具有反硝化作用的動膠菌屬(Zoogloea)、叢毛單胞菌科(Comamonadaceae)以及與除磷相關(guān)的紅環(huán)菌目(Rhodocyclales)、CandidatusAccumulibacter Phosphatis(簡稱Ca. Accumulibacter)等均屬于β-變形菌綱。

1.1.1 前置厭氧磷回收

從磷回收位點考慮，筆者將從厭氧池分流部分泥水混合物進行磷回收的工藝都歸為前置厭氧磷回收。一般變形菌門、擬桿菌門(Bacteroidetes)是該工藝中的優(yōu)勢菌群。DAI等[9]1093構(gòu)建實驗室規(guī)模A2N-IC反應(yīng)器，該工藝在厭氧池與缺氧池中間增添一個獨立的好氧池將反硝化污泥與好氧硝化污泥分開，僅有上清液流通，然后將厭氧池中的富磷上清液引入結(jié)晶反應(yīng)器中投加CaCl2進行磷回收。根據(jù)宏基因組學(xué)對微生物種群結(jié)構(gòu)的分析，變形菌門豐度最高，其次是擬桿菌門和放線菌門(Actinobacteria)。側(cè)流磷回收裝置介入后，變形菌門豐度降低，在硝化污泥和反硝化污泥中，其相對豐度分別由64.21%、70.89%下降至62.57%、67.07%。劉傳波[10]則從倒置AAO的厭氧池中分流活性污泥進行側(cè)流磷回收，側(cè)流工藝運行前后變形菌門和擬桿菌門均為優(yōu)勢微生物，合計相對豐度保持在58.38%～86.72%。功能菌群以紅環(huán)菌科(Rhodocyclaceae)和腐螺旋菌科(Saprospiraceae)為主。紅環(huán)菌科下的微生物種類豐富，具有脫氮除磷及降解芳香化合物等有機物的作用[11-12]。

1.1.2 后置厭氧磷回收

后置厭氧磷回收是指從好氧池或二沉池回流污泥中分流部分污泥進行磷回收的工藝。ISLAM等[13]305研發(fā)了一種新型缺氧好氧(AO)—側(cè)流厭氧工藝，為促進磷吸收，該工藝將側(cè)流厭氧反應(yīng)器的釋磷污泥回流至好氧反應(yīng)器而不是缺氧反應(yīng)器。高通量測序結(jié)果表明，豐度最高的變形菌門主要由β-變形菌綱和γ-變形菌綱(γ-Proteobacteria)組成，其次為厚壁菌門(Firmicutes)(相對豐度1%～5%)和螺旋體門(Spirochaetes)(相對豐度1%～8%)。在所有微生物中占主導(dǎo)地位的是紅環(huán)菌目、伯克氏菌目(Burkholderiales)和硫發(fā)菌目(Thiotrichales)，前兩者屬于β-變形菌綱，其中紅環(huán)菌目包括了大部分現(xiàn)有被認可的聚磷菌(PAOs)，因此其豐度水平可能與系統(tǒng)的除磷性能關(guān)系密切。

張瑩[14]采用AAO-SBSPR工藝，在側(cè)流厭氧反應(yīng)器中外加碳源進行側(cè)流磷回收。在綱分類水平上，系統(tǒng)中豐度較高的依次為β-變形菌綱、鞘脂桿菌綱(Sphingobacteriia)和γ-變形菌綱。屬于鞘脂桿菌綱的鞘脂桿菌目(Sphingobacteriales)通常是化能有機好氧菌或反硝化細菌，能夠降解有機碳，部分成員還與聚β-羥基脂肪酸酯(PHA)和poly-P有關(guān)[13]306,[15]。ZHAO等[16]603同樣以AAO為主流工藝，從好氧池而非二沉池中分流部分活性污泥進入側(cè)流裝置，運行側(cè)流反應(yīng)器后，系統(tǒng)內(nèi)的微生物群落發(fā)生明顯改變，形成兩種不同的類群。在門分類水平上，變形菌門、放線菌門、擬桿菌門和綠彎菌門(Chloroflexi)是反應(yīng)器中的主要菌群。隨著側(cè)流反應(yīng)器的介入，放線菌門和厚壁菌門的相對豐度分別從10.28%、5.24%降至5.06%、2.13%，同時浮霉菌門(Planctomycetes)和疣微菌門(Verrucomicrobia)的相對豐度分別從2.40%、0.59%增長至6.03%、2.51%。

還有研究嘗試將膜生物反應(yīng)器(MBR)與側(cè)流磷回收相結(jié)合，取得了較好的效果。LI等[8]248-255利用好氧MBR反應(yīng)器(投加FeCl3)、側(cè)流厭氧發(fā)酵罐和側(cè)流缺氧反應(yīng)器構(gòu)建MBR-側(cè)流磷回收工藝，該工藝從好氧MBR中抽取部分活性污泥進入發(fā)酵罐，與米飯厭氧共發(fā)酵釋磷，富磷上清液經(jīng)沉淀回收后進入缺氧反應(yīng)器進行反硝化。該工藝與上述活性污泥工藝差別較大，且主流MBR工藝中存在化學(xué)除磷，其微生物群落結(jié)構(gòu)略有不同。好氧MBR和缺氧反應(yīng)器中的微生物群落結(jié)構(gòu)相似，豐度較高的微生物為變形菌門、擬桿菌門和厚壁菌門。側(cè)流厭氧發(fā)酵罐中的微生物種群則與之有明顯差別，擬桿菌門豐度最高，其以普雷沃菌屬(Prevotella)為主，這可能與在發(fā)酵罐中加入米飯進行共發(fā)酵有關(guān)，因為普雷沃菌屬有利于分解碳水化合物和蛋白質(zhì)，產(chǎn)生短鏈脂肪酸[17]；其次豐度較高的微生物是變形菌門和厚壁菌門。梭菌科(Clostridiaceae)是其中的優(yōu)勢功能菌群，包括了典型的鐵還原細菌Alkaliphilsmetalliredigenes和拜氏梭菌(Clostridiumbeijerinckii)，這可能與系統(tǒng)中投加Fe(Ⅲ)進行化學(xué)除磷有關(guān)。

不同側(cè)流磷回收工藝中的優(yōu)勢菌群匯總見表1。由于工藝與運行條件的差異，每個運行系統(tǒng)均擁有獨特的微生物組成與分布。已有研究表明，側(cè)流磷回收會影響系統(tǒng)內(nèi)微生物群落結(jié)構(gòu)，甚至?xí)霈F(xiàn)與原系統(tǒng)完全不同的微生物類群。但目前各研究中微生物組成分析的分類水平不盡相同，無法一一比較，且科及以上較大分類水平的微生物豐度變化無法直接體現(xiàn)出其與系統(tǒng)性能之間的聯(lián)系。因此，后續(xù)側(cè)流磷回收工藝對主流工藝的微生物影響機制應(yīng)從屬分類水平，尤其是脫氮除磷等相關(guān)功能微生物的動態(tài)變化上進行深入探究。

表1 不同側(cè)流磷回收工藝中的優(yōu)勢菌群Table 1 Dominant microorganisms in different side-stream phosphorus recovery systems

1.2 磷相關(guān)功能微生物

1.2.1 優(yōu)勢PAOs

污水處理中起主要除磷作用的是PAOs，目前普遍認為屬于β-變形菌綱的Ca. Accumulibacter是EBPR系統(tǒng)中最主要的一類PAOs[18-19]，因而對于PAOs的研究也多集中于此。利用多聚合磷酸鹽激酶的單拷貝基因ppk1作為標記基因進行分類，可將Ca. Accumulibacter分為TypeⅠ和Type Ⅱ兩種類型[20]，并進一步區(qū)分出14個進化枝，其中TypeⅠ有5個進化枝(Clades ⅠA～Clades ⅠE)，Type Ⅱ有9個進化枝(Clades ⅡA～Clades ⅡI)[21-22],[23]2692。另外，有學(xué)者指出Ca. Accumulibacter的種群結(jié)構(gòu)由環(huán)境條件決定[23]2692。在不同的運行條件下(碳源、電子受體、溫度等)，由于各進化枝的生理特征、代謝特性存在差異，系統(tǒng)中進化枝的組成和豐度可能會發(fā)生變化。

盡管Ca. Accumulibacter一直被認為是EBPR系統(tǒng)中重要的除磷微生物，但僅有少量側(cè)流磷回收系統(tǒng)中Ca. Accumulibacter是優(yōu)勢PAOs。同時，不少研究表明，側(cè)流結(jié)構(gòu)的運行會增強系統(tǒng)的反硝化性能，有利于反硝化聚磷菌(DPAOs)的富集。ZHU等[2]770-771在運行的AAO-SBSPR反應(yīng)器中檢測到Ca. Accumulibacter、脫氯單胞菌(Dechloromonas)、不動桿菌(Acinetobacter)等PAOs，其中Ca. Accumulibacter為主要除磷微生物。另外還發(fā)現(xiàn)側(cè)流磷回收裝置的介入和長泥齡會引起Ca. Accumulibacter和脫氯單胞菌的增殖，系統(tǒng)的缺氧吸磷能力有所增強。

一些研究認為脫氯單胞菌也是PAOs[24]，其可以硝酸鹽作為電子受體進行吸磷，因此也被認為是DPAOs。ZHAO等[16]605發(fā)現(xiàn)運行側(cè)流磷回收工藝后，系統(tǒng)內(nèi)脫氯單胞菌的相對豐度從初期的1.1%～1.4%顯著增加至8.5%～12.8%。DAI等[9]1093從實驗室規(guī)模的A2N-IC反應(yīng)器中檢測發(fā)現(xiàn)，Ca. Accumulibacter和脫氯單胞菌是反硝化污泥中豐度最高的PAOs，在運行側(cè)流磷回收工藝后，Ca. Accumulibacter相對豐度由25.39%降至23.03%，脫氯單胞菌相對豐度由15.90%降至10.58%，表明側(cè)流磷回收對其產(chǎn)生負面影響。ISLAM等[13]304發(fā)現(xiàn)脫氯單胞菌的豐度顯著高于Ca.Accumulibacter、四聯(lián)球狀菌(Tetrasphaera)、紅環(huán)菌(Rhodocyclus)等其他PAOs。以ppk1為標記基因?qū)a. Accumulibacter進行實時熒光定量聚合酶鏈式反應(yīng)(qPCR)分析，在Type Ⅰ、Clades ⅡA、Clades ⅡB、Clades ⅡC、Clades ⅡD、Clades ⅡF 中檢測到了Type Ⅰ、Clades ⅡA和Clades ⅡB 3種，豐度最高的是Type Ⅰ，其次是Clades ⅡB和Clades ⅡA。該團隊在另一研究中發(fā)現(xiàn)[25]，進水氨氮濃度較高時，反硝化EBPR內(nèi)Type Ⅰ的豐度水平明顯高于對照組。鑒于Ca. Accumulibacter Type Ⅰ能利用硝酸鹽作為缺氧吸磷的電子受體，而Clades ⅡA不能[26]，研究者認為這可能與系統(tǒng)的反硝化作用有關(guān)，但該推測仍需進一步證實，因為目前Ca. Accumulibacter各進化枝對不同電子受體的利用能力尚未完全明確，相關(guān)研究報道存在爭議與矛盾[27-30]。同時，宏基因組學(xué)研究結(jié)果與之相左：Clades ⅡC和部分Clades ⅠC能夠編碼硝酸還原酶基因；Clades ⅠA、Clades ⅠB、Clades ⅡA、Clades ⅡF只能編碼周質(zhì)硝酸鹽還原酶基因，這種酶的作用尚不明確[31-32]。

綜上所述，側(cè)流磷回收工藝的介入會影響PAOs的組成與豐度，大部分研究中側(cè)流裝置的運行可以促進PAOs及DPAOs增殖，但也有研究顯示其會帶來負面影響，目前尚無定論，還需進一步探究。由于主流工藝和進水等運行條件不同，各側(cè)流磷回收工藝中的優(yōu)勢PAOs不同，主要集中為Ca. Accumulibacter和脫氯單胞菌兩種PAOs。其中Ca. Accumulibacter含有多個進化枝，但只有少數(shù)研究會將其進一步細分，各進化枝在側(cè)流磷回收工藝中的分布尚不明確，在今后的研究中可以考慮對此進行探究。

1.2.2 磷回收情況下PAOs的代謝

通常認為，PAOs在厭氧時主要通過分解poly-P為吸收揮發(fā)性脂肪酸(VFAs)提供能量，通過分解糖原提供還原力和部分能量。但進行磷回收會導(dǎo)致活性污泥細胞內(nèi)的poly-P含量下降。許多研究表明[33-36]，低poly-P環(huán)境中PAOs的代謝途徑會發(fā)生改變，因此，側(cè)流磷回收工藝中的PAOs代謝機制可以從這些研究中獲得一些啟發(fā)。

當細胞中poly-P含量降低無法提供足夠的能量時，PAOs會提高糖原利用程度來獲得能量，糖原的厭氧分解及好氧合成量均有所增長。而糖原分解量的增加也產(chǎn)生了更多的還原力，需要通過丙酮酸-琥珀酸丙酸途徑獲得平衡，進而導(dǎo)致合成的聚β-羥基戊酸酯(PHV)在PHA中占比增加，表現(xiàn)出類似聚糖菌(GAOs)的代謝特征[37],[38]1898，即較低的污泥含磷率會促進PAOs由磷酸鹽積累(PAM)代謝向糖原積累(GAM)代謝模式轉(zhuǎn)變。

這一代謝模式的轉(zhuǎn)變是不同PAOs作用的結(jié)果。ACEVEDO等[38]1889觀察到隨著poly-P含量降低，優(yōu)勢PAOs中的Ca. Accumulibacter 由Type Ⅰ變成Type Ⅱ。WELLES等[39]則發(fā)現(xiàn)Type Ⅰ和Type Ⅱ兩種Ca. Accumulibacter均能從原來各自的PAM或PAM-GAM混合代謝向GAM代謝轉(zhuǎn)變，其中Type Ⅱ更占據(jù)優(yōu)勢，乙酸鹽吸收速率更快。Ca. Accumulibacter存在諸多分支，系統(tǒng)內(nèi)富集的具體分支不同，呈現(xiàn)出的代謝能力自然存在差異，在較大分類水平上(Type Ⅰ、Type Ⅱ)分析得到的結(jié)論很可能不夠精確。MENG等[40]5在試驗中進一步發(fā)現(xiàn)，Clades ⅡC和Clades ⅡD是優(yōu)勢PAOs，poly-P含量降低使得原有的少量Type Ⅰ、Clades ⅡA、Clades ⅡB豐度急劇降低。同時，該研究還發(fā)現(xiàn)了適應(yīng)低poly-P環(huán)境的潛在PAOs——Thiothrixcaldifontis(相對豐度由0.53%增至5.75%)。這些研究豐富了對Ca. Accumulibacte代謝多樣性的理解，也為低poly-P環(huán)境下特定進化枝的篩選與富集提供了思路。

GAOs在厭氧條件下與PAOs存在底物的競爭關(guān)系，因此會影響EBPR系統(tǒng)的運行性能及穩(wěn)定性。低poly-P條件下，進行GAM代謝的PAOs與GAOs同樣存在競爭。一些研究者在長期試驗中觀察到GAOs的增殖，其分布與碳源種類、進水碳源濃度等因素有關(guān)[41-42]。總體而言，以乙酸鈉為單一碳源、進水碳源濃度較高時更有利于GAOs的生長，這與以往的經(jīng)驗相符。不同的是，PAOs仍能保持相當?shù)呢S度而未被淘汰，代謝模式的轉(zhuǎn)化可能是解釋該現(xiàn)象的原因之一。近期更微觀的研究結(jié)果顯示[40]9，PAOs比GAOs的比表面積更大、核酸含量更低，這也可能為PAOs在缺乏poly-P的環(huán)境中提供了生存優(yōu)勢，因為細胞體積越小、比表面積越大，物質(zhì)傳輸交換的效率越高，同時核酸含量更高的細菌具有更多的代謝功能，生存所需能量更高。

綜上所述，在側(cè)流磷回收工藝中PAOs(主要為Ca.Accumulibacter)有可能會更多地利用糖原，向GAM代謝模式轉(zhuǎn)變。同時，由于細胞內(nèi)poly-P含量降低，優(yōu)勢PAOs的組成與豐度也可能發(fā)生改變，但PAOs仍具有一定的生存優(yōu)勢，而不被系統(tǒng)淘汰，但這僅僅是根據(jù)低poly-P下PAOs的相關(guān)研究做出的推測，真正的側(cè)流磷回收工藝中的PAOs代謝機制還需要在今后的探究中逐步明晰。

2 側(cè)流磷去除工藝

側(cè)流磷去除工藝(主要是側(cè)流EBPR)與傳統(tǒng)EBPR的主要差別在于側(cè)流厭氧水解發(fā)酵構(gòu)筑物的加入使得厭氧時間延長，且可以給主流工藝持續(xù)提供復(fù)雜多樣的VFAs，進而能夠促進PAOs生長代謝[7]11。同時，側(cè)流厭氧水解發(fā)酵還有可能刺激系統(tǒng)內(nèi)PAOs的糖酵解活性，除磷能力增強[43]。

在微生物群落結(jié)構(gòu)方面，側(cè)流EBPR工藝比常規(guī)EBPR具有更高的微生物多樣性，這表明其功能可能更加完整，從而具有更強的適應(yīng)性與穩(wěn)定性[44]。

2.1 優(yōu)勢PAOs分析

與側(cè)流磷回收工藝不同，四聯(lián)球狀菌是側(cè)流EBPR工藝中常見的優(yōu)勢PAOs，其含有3個分支，生理學(xué)表現(xiàn)不同于Ca. Accumulibacter，無法合成或分解PHA，且厭氧條件下可以利用多種有機物(乙酸、葡萄糖、氨基酸等)，對環(huán)境的變化具有良好的適應(yīng)力[45]160,[46]263。與Ca. Accumulibacter相比，四聯(lián)球狀菌具有更加多樣的功能，如反硝化、發(fā)酵等[47]543,[48]。近年來，不少研究認為其一直以來在EBPR系統(tǒng)中的作用被低估，提出在EBPR過程中四聯(lián)球狀菌和Ca. Accumulibacter一樣具有重要的作用[49-50]。

一項針對丹麥28個城市污水處理廠的調(diào)研結(jié)果顯示[51]，不管是否含有側(cè)流水解設(shè)施，所有EBPR系統(tǒng)中四聯(lián)球狀菌的相對豐度(平均為27.0%)均顯著高于Ca.Accumulibacter(平均為3.7%)。這一結(jié)果在ONNIS HAYDEN等[52]對北美污水處理廠的研究中得到了驗證。其同樣發(fā)現(xiàn)四聯(lián)球狀菌為優(yōu)勢PAOs，且熒光原位雜交(FISH)定量分析結(jié)果顯示，側(cè)流EBPR中Ca. Accumulibacter(相對豐度4.6%～7.6%)和四聯(lián)球狀菌(相對豐度>15%)的豐度水平與傳統(tǒng)EBPR一致。WANG等[7]8在美國俄勒岡州的Rock Creek污水處理廠以相同的進水條件同時運行了外加碳源的側(cè)流EBPR和AAO工藝，側(cè)流EBPR工藝將AAO中的厭氧池從主流工藝中分離出來作為側(cè)流反應(yīng)器，進水直接進入缺氧池。系統(tǒng)中四聯(lián)球狀菌的相對豐度(FISH定量分析結(jié)果10.7%～20.7%)高于Ca. Accumulibacter，但該數(shù)值與16S rDNA擴增子測序的結(jié)果(0.07%)相差較大。這一方面可能是因為DNA提取、PCR擴增過程中存在偏差[53]745；另一方面四聯(lián)球狀菌某些分支呈絲狀形態(tài)[46]259，由FISH定量分析可能會高估其豐度。Ca. Accumulibacter在AAO和側(cè)流EBPR系統(tǒng)中的相對豐度沒有明顯差異，但兩個系統(tǒng)內(nèi)的Ca. Accumulibacter可能屬于不同的進化枝。

目前，四聯(lián)球狀菌占優(yōu)勢的研究均集中于實際規(guī)模的污水處理廠，同時四聯(lián)球狀菌在傳統(tǒng)EBPR與側(cè)流EBPR中的豐度并無顯著差別。研究表明，Ca. Accumulibacter和四聯(lián)球狀菌具有不同的生態(tài)位，四聯(lián)球狀菌具有發(fā)酵功能，可以利用多種大分子有機物，而Ca. Accumulibacter更傾向于直接利用VFAs等發(fā)酵產(chǎn)物[45]159。同時，和Ca. Accumulibacter相比，四聯(lián)球狀菌對乙酸鹽的競爭力可能比其他有機質(zhì)更弱[46]265。因此，進水成分復(fù)雜、VFAs含量較低的污水處理廠中或外源有機物有限的情況下，四聯(lián)球狀菌可能更具有競爭優(yōu)勢。

2.2 側(cè)流EBPR中的優(yōu)勢PAOs代謝

如前文所述，能否合成/分解PHA是四聯(lián)球狀菌與Ca. Accumulibacter生理學(xué)上的重大差別。四聯(lián)球狀菌細胞中與之對應(yīng)的功能儲存物質(zhì)也成為了相關(guān)研究的關(guān)注點之一。KRISTIANSEN等[47]543通過對四聯(lián)球狀菌中的4個菌株進行基因組測序注釋以及純培養(yǎng)實驗構(gòu)建代謝模型，模型提出在厭氧條件下四聯(lián)球狀菌能夠?qū)⑵咸烟沁M行發(fā)酵生成VFAs，利用此步驟及分解poly-P產(chǎn)生的能量還可以將葡萄糖吸收儲存為糖原；在好氧條件下，四聯(lián)球狀菌分解糖原提供能量以吸收磷酸鹽合成poly-P。這一模型與Ca. Accumulibacter的代謝模型相似，只是其中糖原取代PHA成為胞內(nèi)儲存物。

一些氨基酸也可以被四聯(lián)球狀菌吸收儲存用來進行磷的代謝。MARQUES等[45]167分別以葡萄糖、谷氨酸、天冬氨酸作為單一碳源進行厭氧/好氧批次試驗，發(fā)現(xiàn)這些碳源的發(fā)酵導(dǎo)致了厭氧吸磷而非厭氧釋磷，且厭氧吸磷量高于后續(xù)好氧階段。這一現(xiàn)象的出現(xiàn)可能是由于四聯(lián)球狀菌將這些碳源進行發(fā)酵產(chǎn)生的能量已足以用來進行生命活動甚至吸磷，而無需進行poly-P的分解。雖然這有可能是一種新的除磷機制，但當吸磷量飽和后也有可能導(dǎo)致系統(tǒng)除磷能力的喪失[53]749。四聯(lián)球狀菌在不同環(huán)境中發(fā)酵能力的變化，也給其能否在EBPR中發(fā)揮穩(wěn)定的除磷效果帶來了不確定性，對于四聯(lián)球狀菌的代謝及除磷機制還需要深入探究。

結(jié)合Ca. Accumulibacter會發(fā)生代謝模式轉(zhuǎn)化來看，由于這些PAOs存在多個亞種/進化枝，代謝方式多樣，豐度高并不一定意味著對磷去除的貢獻大。在今后的微生物學(xué)研究中，除了關(guān)注豐度水平，應(yīng)進一步結(jié)合代謝特性分析以便能更好地評估各PAOs在去除磷過程中的角色。

3 結(jié) 語

針對側(cè)流磷回收與磷去除工藝中的微生物學(xué)研究大多集中于微生物群落結(jié)構(gòu)及多樣性分析，對于其中功能微生物的基因表達、代謝途徑等內(nèi)在作用機制的研究遠遠不夠。同時，研究中采用的方法如FISH、16S rDNA擴增子測序等，也可能在操作過程中存在偏差，導(dǎo)致在進行定量或微生物群落結(jié)構(gòu)分析時具有一定的限制。因此，未來針對側(cè)流磷回收與磷去除領(lǐng)域的研究，應(yīng)結(jié)合拉曼光譜-FISH等更高層次的分子生物學(xué)分析技術(shù)進一步展開，以下3方面有可能是潛在的研究方向：(1)從脫氮除磷等相關(guān)功能微生物的動態(tài)變化中探究側(cè)流結(jié)構(gòu)對主流工藝的微生物影響機制；(2)定量分析主要PAOs(四聯(lián)球狀菌及Ca. Accumulibacte)的豐度，探究各進化枝在側(cè)流磷回收與磷去除工藝系統(tǒng)中的分布；(3)明晰側(cè)流磷回收與磷去除工藝中優(yōu)勢PAOs的代謝機理以及除磷機制，綜合評估其在系統(tǒng)除磷中的貢獻。