高 丹 朱政豫 李詠梅,2#

(1.同濟(jì)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(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)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(kāi)采產(chǎn)生，是人類社會(huì)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(kāi)采需求日益增大，同時(shí)磷的過(guò)量排放也會(huì)導(dǎo)致水體富營(yíng)養(yǎng)化等生態(tài)環(huán)境污染問(wèn)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(gè)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(duì)生活污水中的磷進(jìn)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(jì)有效、可持續(xù)地回收磷是近年來(lái)的研究熱點(diǎn)。

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(guò)程中進(jìn)行回收；二是在污水處理過(guò)程中進(jìn)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(huì)與強(qiáng)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(guò)不同手段進(jìn)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(duì)富磷上清液進(jìn)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(xì)胞內(nèi)的聚磷酸鹽(poly-P)分解釋放，然后對(duì)富磷上清液進(jìn)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(dá)到污染物去除與資源回收的雙重目的。

近年來(lái)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(duì)傳統(tǒng)EBPR進(jìn)行改進(jìn)，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(jìn)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(jìn)水碳源負(fù)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(wèn)題包括側(cè)流對(duì)主流系統(tǒng)運(yùn)行性能、污泥物化性質(zhì)的影響及其內(nèi)在微生物作用機(jī)制等。微生物的組成、豐度、代謝等對(duì)工藝運(yùn)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(jī)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(dòng)態(tài)變化等研究進(jìn)展進(jìn)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(yùn)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(xì)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)?，F(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(dòng)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(jiǎn)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(diǎn)考慮，筆者將從厭氧池分流部分泥水混合物進(jìn)行磷回收的工藝都?xì)w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(shì)菌群。DAI等[9]1093構(gòu)建實(shí)驗(yàn)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(gè)獨(dú)立的好氧池將反硝化污泥與好氧硝化污泥分開(kāi)，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(jìn)行磷回收。根據(jù)宏基因組學(xué)對(duì)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(duì)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(jìn)行側(cè)流磷回收，側(cè)流工藝運(yùn)行前后變形菌門和擬桿菌門均為優(yōu)勢(shì)微生物，合計(jì)相對(duì)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(jī)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(jìn)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(jìn)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(cè)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(duì)豐度1%～5%)和螺旋體門(Spirochaetes)(相對(duì)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(rèn)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(jìn)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(jī)好氧菌或反硝化細(xì)菌，能夠降解有機(jī)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(jìn)入側(cè)流裝置，運(yùn)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(duì)豐度分別從10.28%、5.24%降至5.06%、2.13%，同時(shí)浮霉菌門(Planctomycetes)和疣微菌門(Verrucomicrobia)的相對(duì)豐度分別從2.40%、0.59%增長(zhǎng)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(jìn)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(jìn)入缺氧反應(yīng)器進(jìn)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(jìn)行共發(fā)酵有關(guān)，因?yàn)槠绽孜志鷮儆欣诜纸馓妓衔锖偷鞍踪|(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(shì)功能菌群，包括了典型的鐵還原細(xì)菌Alkaliphilsmetalliredigenes和拜氏梭菌(Clostridiumbeijerinckii)，這可能與系統(tǒng)中投加Fe(Ⅲ)進(jìn)行化學(xué)除磷有關(guān)。

不同側(cè)流磷回收工藝中的優(yōu)勢(shì)菌群匯總見(jiàn)表1。由于工藝與運(yùn)行條件的差異，每個(gè)運(yùn)行系統(tǒng)均擁有獨(dú)特的微生物組成與分布。已有研究表明，側(cè)流磷回收會(huì)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(wú)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(wú)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(duì)主流工藝的微生物影響機(jī)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(dòng)態(tài)變化上進(jìn)行深入探究。

表1 不同側(cè)流磷回收工藝中的優(yōu)勢(shì)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(shì)PAOs

污水處理中起主要除磷作用的是PAOs，目前普遍認(rèn)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(duì)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(biāo)記基因進(jìn)行分類，可將Ca. Accumulibacter分為TypeⅠ和Type Ⅱ兩種類型[20]，并進(jìn)一步區(qū)分出14個(gè)進(jìn)化枝，其中TypeⅠ有5個(gè)進(jìn)化枝(Clades ⅠA～Clades ⅠE)，Type Ⅱ有9個(gè)進(jìn)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(yùn)行條件下(碳源、電子受體、溫度等)，由于各進(jìn)化枝的生理特征、代謝特性存在差異，系統(tǒng)中進(jìn)化枝的組成和豐度可能會(huì)發(fā)生變化。

盡管Ca. Accumulibacter一直被認(rèn)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(shì)PAOs。同時(shí)，不少研究表明，側(cè)流結(jié)構(gòu)的運(yùn)行會(huì)增強(qiáng)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(yùn)行的AAO-SBSPR反應(yīng)器中檢測(cè)到Ca. Accumulibacter、脫氯單胞菌(Dechloromonas)、不動(dòng)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(zhǎng)泥齡會(huì)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(qiáng)。

一些研究認(rèn)為脫氯單胞菌也是PAOs[24]，其可以硝酸鹽作為電子受體進(jìn)行吸磷，因此也被認(rèn)為是DPAOs。ZHAO等[16]605發(fā)現(xiàn)運(yùn)行側(cè)流磷回收工藝后，系統(tǒng)內(nèi)脫氯單胞菌的相對(duì)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(shí)驗(yàn)室規(guī)模的A2N-IC反應(yīng)器中檢測(cè)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(yùn)行側(cè)流磷回收工藝后，Ca. Accumulibacter相對(duì)豐度由25.39%降至23.03%，脫氯單胞菌相對(duì)豐度由15.90%降至10.58%，表明側(cè)流磷回收對(duì)其產(chǎn)生負(fù)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(biāo)記基因?qū)a. Accumulibacter進(jìn)行實(shí)時(shí)熒光定量聚合酶鏈?zhǔn)椒磻?yīng)(qPCR)分析，在Type Ⅰ、Clades ⅡA、Clades ⅡB、Clades ⅡC、Clades ⅡD、Clades ⅡF 中檢測(cè)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(tuán)隊(duì)在另一研究中發(fā)現(xiàn)[25]，進(jìn)水氨氮濃度較高時(shí)，反硝化EBPR內(nèi)Type Ⅰ的豐度水平明顯高于對(duì)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(rèn)為這可能與系統(tǒng)的反硝化作用有關(guān)，但該推測(cè)仍需進(jìn)一步證實(shí)，因?yàn)槟壳癈a. Accumulibacter各進(jìn)化枝對(duì)不同電子受體的利用能力尚未完全明確，相關(guān)研究報(bào)道存在爭(zhēng)議與矛盾[27-30]。同時(shí)，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(huì)影響PAOs的組成與豐度，大部分研究中側(cè)流裝置的運(yùn)行可以促進(jìn)PAOs及DPAOs增殖，但也有研究顯示其會(huì)帶來(lái)負(fù)面影響，目前尚無(wú)定論，還需進(jìn)一步探究。由于主流工藝和進(jìn)水等運(yùn)行條件不同，各側(cè)流磷回收工藝中的優(yōu)勢(shì)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(gè)進(jìn)化枝，但只有少數(shù)研究會(huì)將其進(jìn)一步細(xì)分，各進(jìn)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(duì)此進(jìn)行探究。

1.2.2 磷回收情況下PAOs的代謝

通常認(rèn)為，PAOs在厭氧時(shí)主要通過(guò)分解poly-P為吸收揮發(fā)性脂肪酸(VFAs)提供能量，通過(guò)分解糖原提供還原力和部分能量。但進(jìn)行磷回收會(huì)導(dǎo)致活性污泥細(xì)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(huì)發(fā)生改變，因此，側(cè)流磷回收工藝中的PAOs代謝機(jī)制可以從這些研究中獲得一些啟發(fā)。

當(dāng)細(xì)胞中poly-P含量降低無(wú)法提供足夠的能量時(shí)，PAOs會(huì)提高糖原利用程度來(lái)獲得能量，糖原的厭氧分解及好氧合成量均有所增長(zhǎng)。而糖原分解量的增加也產(chǎn)生了更多的還原力，需要通過(guò)丙酮酸-琥珀酸丙酸途徑獲得平衡，進(jìn)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(huì)促進(jìn)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(shì)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(lái)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(shì)，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(yàn)中進(jìn)一步發(fā)現(xiàn)，Clades ⅡC和Clades ⅡD是優(yōu)勢(shì)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(shí)，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(duì)豐度由0.53%增至5.75%)。這些研究豐富了對(duì)Ca. Accumulibacte代謝多樣性的理解，也為低poly-P環(huán)境下特定進(jìn)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(jìng)爭(zhēng)關(guān)系，因此會(huì)影響EBPR系統(tǒng)的運(yùn)行性能及穩(wěn)定性。低poly-P條件下，進(jìn)行GAM代謝的PAOs與GAOs同樣存在競(jìng)爭(zhēng)。一些研究者在長(zhǎng)期試驗(yàn)中觀察到GAOs的增殖，其分布與碳源種類、進(jìn)水碳源濃度等因素有關(guān)[41-42]?？傮w而言，以乙酸鈉為單一碳源、進(jìn)水碳源濃度較高時(shí)更有利于GAOs的生長(zhǎng)，這與以往的經(jīng)驗(yàn)相符。不同的是，PAOs仍能保持相當(dāng)?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(shì)，因?yàn)榧?xì)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(shí)核酸含量更高的細(xì)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(huì)更多地利用糖原，向GAM代謝模式轉(zhuǎn)變。同時(shí)，由于細(xì)胞內(nèi)poly-P含量降低，優(yōu)勢(shì)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(shì)，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(cè)，真正的側(cè)流磷回收工藝中的PAOs代謝機(jī)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(shí)間延長(zhǎng)，且可以給主流工藝持續(xù)提供復(fù)雜多樣的VFAs，進(jìn)而能夠促進(jìn)PAOs生長(zhǎng)代謝[7]11。同時(shí)，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(qiáng)[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(qiáng)的適應(yīng)性與穩(wěn)定性[44]。

2.1 優(yōu)勢(shì)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(jiàn)的優(yōu)勢(shì)PAOs，其含有3個(gè)分支，生理學(xué)表現(xiàn)不同于Ca. Accumulibacter，無(wú)法合成或分解PHA，且厭氧條件下可以利用多種有機(jī)物(乙酸、葡萄糖、氨基酸等)，對(duì)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(lái)，不少研究認(rèn)為其一直以來(lái)在EBPR系統(tǒng)中的作用被低估，提出在EBPR過(guò)程中四聯(lián)球狀菌和Ca. Accumulibacter一樣具有重要的作用[49-50]。

一項(xiàng)針對(duì)丹麥28個(gè)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(duì)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(duì)北美污水處理廠的研究中得到了驗(yàn)證。其同樣發(fā)現(xiàn)四聯(lián)球狀菌為優(yōu)勢(shì)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(duì)豐度4.6%～7.6%)和四聯(lián)球狀菌(相對(duì)豐度>15%)的豐度水平與傳統(tǒng)EBPR一致。WANG等[7]8在美國(guó)俄勒岡州的Rock Creek污水處理廠以相同的進(jìn)水條件同時(shí)運(yùn)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(lái)作為側(cè)流反應(yīng)器，進(jìn)水直接進(jìn)入缺氧池。系統(tǒng)中四聯(lián)球狀菌的相對(duì)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(kuò)增子測(cè)序的結(jié)果(0.07%)相差較大。這一方面可能是因?yàn)镈NA提取、PCR擴(kuò)增過(guò)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(huì)高估其豐度。Ca. Accumulibacter在AAO和側(cè)流EBPR系統(tǒng)中的相對(duì)豐度沒(méi)有明顯差異，但兩個(gè)系統(tǒng)內(nèi)的Ca. Accumulibacter可能屬于不同的進(jìn)化枝。

目前，四聯(lián)球狀菌占優(yōu)勢(shì)的研究均集中于實(shí)際規(guī)模的污水處理廠，同時(shí)四聯(lián)球狀菌在傳統(tǒng)EBPR與側(cè)流EBPR中的豐度并無(wú)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(jī)物，而Ca. Accumulibacter更傾向于直接利用VFAs等發(fā)酵產(chǎn)物[45]159。同時(shí)，和Ca. Accumulibacter相比，四聯(lián)球狀菌對(duì)乙酸鹽的競(jìng)爭(zhēng)力可能比其他有機(jī)質(zhì)更弱[46]265。因此，進(jìn)水成分復(fù)雜、VFAs含量較低的污水處理廠中或外源有機(jī)物有限的情況下，四聯(lián)球狀菌可能更具有競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)。

2.2 側(cè)流EBPR中的優(yōu)勢(shì)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(xì)胞中與之對(duì)應(yīng)的功能儲(chǔ)存物質(zhì)也成為了相關(guān)研究的關(guān)注點(diǎn)之一。KRISTIANSEN等[47]543通過(guò)對(duì)四聯(lián)球狀菌中的4個(gè)菌株進(jìn)行基因組測(cè)序注釋以及純培養(yǎng)實(shí)驗(yàn)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(jìn)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(chǔ)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(chǔ)存物。

一些氨基酸也可以被四聯(lián)球狀菌吸收儲(chǔ)存用來(lái)進(jìn)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(jìn)行厭氧/好氧批次試驗(yàn)，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(jìn)行發(fā)酵產(chǎn)生的能量已足以用來(lái)進(jìn)行生命活動(dòng)甚至吸磷，而無(wú)需進(jìn)行poly-P的分解。雖然這有可能是一種新的除磷機(jī)制，但當(dāng)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(lái)了不確定性，對(duì)于四聯(lián)球狀菌的代謝及除磷機(jī)制還需要深入探究。

結(jié)合Ca. Accumulibacter會(huì)發(fā)生代謝模式轉(zhuǎn)化來(lái)看，由于這些PAOs存在多個(gè)亞種/進(jìn)化枝，代謝方式多樣，豐度高并不一定意味著對(duì)磷去除的貢獻(xiàn)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(jìn)一步結(jié)合代謝特性分析以便能更好地評(píng)估各PAOs在去除磷過(guò)程中的角色。

3 結(jié) 語(yǔ)

針對(duì)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(duì)于其中功能微生物的基因表達(dá)、代謝途徑等內(nèi)在作用機(jī)制的研究遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠。同時(shí)，研究中采用的方法如FISH、16S rDNA擴(kuò)增子測(cè)序等，也可能在操作過(guò)程中存在偏差，導(dǎo)致在進(jìn)行定量或微生物群落結(jié)構(gòu)分析時(shí)具有一定的限制。因此，未來(lái)針對(duì)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(jìn)一步展開(kāi)，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(dòng)態(tài)變化中探究側(cè)流結(jié)構(gòu)對(duì)主流工藝的微生物影響機(jī)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(jìn)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(shì)PAOs的代謝機(jī)理以及除磷機(jī)制，綜合評(píng)估其在系統(tǒng)除磷中的貢獻(xiàn)。