Abdul R. Sheik, Emilie E. L. Muller and Paul Wilmes

翻译 | 黄冬

在过去的几十年里，越来越多的环境问题引发了世人对于资源问题的新策略制定与思考完善，即在活性污泥工艺基础上，从污水中回收能源与营养物质。然而，截至目前，能源和营养物质的回收量仍较为有限。本文所提出的“污水生物炼制列”概念，若能最大化地运用到现有的和未来可能有的信息中，则可以实现生物能源、生物塑料、化肥的可持续生产。

一百年前，英国人Ardern和Lockett发现了活性污泥对于污水生物修复过程的重大作用——该物质可以使异养微生物同化或者生成氧化进水中的有机质。曝气后，悬浮的微生物可以利用重力从处理后的污水中分离开来，大部分污泥将会回流，这一部分污泥就被称为活性污泥。

迄今为止，基于活性污泥法的变种工艺已经在全世界污水处理厂投入运行，包括进一步的除磷、硝化—反硝化、厌氧氨氧化以及剩余污泥的厌氧消化等工艺。但是，曝气和回流污泥过程中需要消耗大量化石燃料所产生的能源，此举无疑又增加了大量人为的温室气体排放。除此之外，该过程同时还会产生潜在的温室气体，如CH4和N2O。从这个角度来讲，活性污泥法显然是不可持续的。

据统计，污水中蕴含着大量的隐形财富，其处理过程中所产生的化学能源可达用于处理污水所消耗能源的10倍之多。调查人员发现，截至目前，从剩余污泥的厌氧消化过程中或从微生物燃料电池中回收的能量，明显低于污水中实际包含的化学能源。因此，将来从污水中回收能源的可持续策略，不仅能减少我们对于化石燃料的依赖，还能满足人们对于日常资源的需求，如塑料和肥料。所以，尽管污水中的有机成分与无机成分的组成依赖于进水状况（城市污水或工业废水），具有随机性，但我们切不能掉以轻心，浪费可观的可回收资源。基于这个角度，本文引入了“污水生物炼制列”的理念，该理念是将不同生态位工程运用到未来污水处理工艺中，使不同微生物产生不同针对性的富集，同时还可以对能源和资源进行综合回收。

当前：基于活性污泥法的微生物和生物化学认识

长期以来，由于污水处理过程中的微生物群落结构与功能在很大程度上不为人所知，一直被视作“黑箱”。对于污泥中的微生物，早期研究大多数包括经典的分离法和利用光学显微镜对特定细菌群体进行形态鉴定（如丝状菌）。运用经典微生物培养技术，发现不动杆菌属（Acinetobacter spp.）有可能与磷的去除有关，亚硝化螺菌属（Nitrosospira spp.）被认为是关键的氨氧化菌，硝化杆菌属（Nitrobacter spp.）是最主要的亚硝化菌，生丝微菌菌属（Hyphomicrobium spp.）是关键的反硝化细菌。

过去几十年，经过对16S rRNA 基因序列检索的深度研究，已排除不动杆菌属是除磷过程的主要参与者。截至目前，一种属于β变形杆菌（Beta-proteobacteria）、未能进行纯培养和分类的菌属，称作Candidatus Accumulibacter phosphatis (CAp)，在实验室规模和实际污水处理厂规模的反应器中，已经被证实是一种主要的聚磷菌（PAO）。不仅如此，随后的分子生物学研究也证实，聚糖菌（GAO）是Cap在污泥厌氧/好氧循环过程中的主要竞争对手。其中包括一种属于γ变形杆菌（Gamma-proteobacteria）新型的菌种，叫做Candidatus Competibacter phosphates ，还有属于α变形杆菌（Alpha-proteobacteria）的其他菌种。

至于氮素的循环过程，利用分子生物学方法已经确定新的“参与者”，包括不同类型的氨氧化菌，硝化螺状的微生物作为主要的亚硝化菌；水生螺菌属（Aquaspirillum）、 固氮弧菌属（Azoarcus）、索氏菌属（Thauera）和聚磷菌（如CAp）为主要的反硝化菌。最近，研究者又发现属于齐古菌门（Thaumarchaeota）的古细菌也对于好氧氨氧化具有催化作用。在实际污水处理过程中，氮素循环的过程会更加复杂，如已证实能进行厌氧氨氧化。这些生物属于浮霉状菌门（Planctomycetes），并被暂时命名为“Candidatus Kuenenia stuttgartiensis”

近年来，学者们在污水生物处理过程中微生物的生理生态学方面做了大量研究，发现采用荧光原位杂交法外加显微放射自显影技术（MAR—FISH）能使特定微生物直接可视化，并能将碳、氮和磷等基质的转化联系起来。利用MAR—FISH能研究PAOs和GAOs关于碳源的竞争，还能制定模型。在厌氧状态下，PAOs吸收有机碳源（如挥发性脂肪酸），并将其以聚羟基脂肪酸(PHAs)形式存储起来。当处于有氧条件下时，PAOs氧化PHAs，所获能量供给聚磷酸盐的吸收积累，使得磷元素通过回流污泥从污水中除去。在厌氧条件下，GAOs和GPOs竞争挥发性脂肪酸用于PHA的合成，而且在好氧的条件下GAOs并不积累聚磷酸盐，而是将能量用于糖类的积累。通过MAR—FISH法和染色法，证实了细胞内PHA或者聚磷酸盐的积累就是聚合物存储或循环的过程。其他运用MAR—FISH的研究则论证了聚脂菌（LAOs）生态学的潜能，例如微丝菌属（Candidatus Microthrix parvicella）能够在厌氧的条件下吸收并存储脂类物质，同时强调了此类丝状菌相对于其他菌种的优势，即其他菌种不能在厌氧条件下吸收脂类。

值得注意的是，高分辨率的分子生物学方法的进步，即所谓的宏基因组学，允许在微生物群落的构成与功能之间绘制具体的联系。例如，通过识别控制梯形烷合成的基因、确定Candidatus Kuenenia stuttgartiensis中联氨的新陈代谢，宏基因组学研究能揭示出一些神秘的微生物表型性状。在实际污水生物处理厂所进行的宏基因组学研究，强调关键物种参考基因的需要，以通过最新实验室研究来解释实际数据。在这种情况下，宏基因组或单个细胞基因序列数据，可以有效地用来推测有益菌种的基质配方和生长状况。

宏基因组学的研究很大程度上促进了我们对于有益菌种群体功能的了解，比如宏蛋白质组学、环境转录组学以及二者之间的联系，使得我们对不同环境条件下（如好氧/厌氧阶段）关键过程中的相关基因的具体表现形式有了进一步的了解。因此，在时间和空间上整合“生物组学”，并与物理化学参数相结合，便可重新构建与界定生态网络和有机生态位。这些信息可能是鉴别微生物群体结构与功能的关键的决定性因素，可以用于从污水中进行综合的能源和资源回收。

未来：利用污水中微生物回收能源和资源

如今，我们已经能够鉴别出大量的微生物群落，并从多组学的分析研究中，获得了前所未有的数据。在活性污泥法一百年之际，寻求一种新的生物污水处理法显然已经时机成熟。因此，我们可以开始考虑自下而上的设计方法，而不是像目前这样分步的自上而下的方法。

在这里，我们特地引进了“污水生物炼制列”的概念。依据一种假定的自下而上的设计方法，看看在环境发生的变化时候，微生物是怎样转化并积累成不同类型的有益化合物的。所以，这种特定的生态位工程能帮助我们从污水中大量回收高价值资源。我们可以通过以下途径，来实现这种生态位工程：（1）污水中建立不同的基质梯度，以此拓宽个体生态位；利用微生物不同的沉降速度来实现其垂直分布，沉降速度与微生物/絮体的大小以及胞内存储化合物有关；回收微生物中的能源和营养物质。科学家过去在实验室规模的反应器中，已经获得了此类有益菌种的富集体，尤其是PAOs和GAOs，通过给予合适的环境条件，可以增加富集这些菌种的可能性。随着宏基因组学的不断进步，我们能够更加精确地定义各种菌种的生态位，从而使这些菌种能应用到未来的循环系统中。考虑到污水构成的多样性和动态性，生态位可能还需要不断的调整。微生物燃料电池可以用作生物传感器，生态位可以通过它的反馈来进行微调，从而可以对进水有机物和无机物构成进行连续的检测。

对当前可再生能源的探索中，作为一种潜在的方案，生物柴油有望部分替代石油燃料。当下，生物柴油生产成本与相关的原料成本占到了85%。而污水中可皂化的油脂很容易转化为生物柴油，因此，污水中蕴含的物质可与生物能源直接相关。在城市污水中，油脂类可以占到总有机碳的41%，其中绝大多数是三酰甘油酯(TAG)，小部分是游离的长链脂肪酸。需要特别注意的是，污泥中这些长链脂肪酸的组成范围主要在C14到C18之间，这是生产甲酯理想的环境。由于疏水性，污水中脂类物质通常吸附在颗粒上，并且不易提取。然而，LAOs释放胞外脂肪酶可将脂类水解，水解产物能被细菌高效同化。根据本文的“污水生物炼制列”的概念，丝状聚酯菌的生物量在顶部积累。鉴于丝状菌对脂质的高度累积，以及生物柴油能从聚脂菌中直接产出，同时经济上可行，因而从污水中提取生物柴油拥有巨大的潜力。令人关注的是，在生物柴油生产过程中，TAG的副产物——甘油可以进一步被利用合成PHA，从而实现污水中TAG的完全和高效利用。

PHA的合成发生在活性污泥的微生物中。来自污水的PHAs在工业上可用于合成可降解的、与化学合成聚丙烯有相似的热力学性能的生物塑料。此外，PHAs可在酸的催化作用下，水解为生物燃料羟基丁酸甲酯（hydroxybutyrate methyl ester）。所以，来自污水的PHAs可作为一种可再生资源用于塑料生产，整个PHA生产链条的资源耗费仅占总生产成本的50%。PHAs的微生物积累非常迅速（约5小时）和显著。由于PAOs和GAOs能在厌氧/好氧条件下交互合成PHAs，在一定的环境条件下，针对性的对一些菌种富集可将PHA连同发酵产物和磷酸盐或糖元一起回收。污水处理厂中PAOs能占到总细菌生物量35%，实验室研究表明，由于PAOs与GAOs有着不同的细胞密度，前者有着更快的沉降速率。利用这些属性分离这两类微生物，就可以实现针对性的资源回收。由此，我们也可以预期，通过建立密度梯度，如操纵沉降时间，GAOs将会占据“污水生物炼制列”中间层，PAOs将会占据下层。

尽管污水处理厂对发酵细菌的研究较少，但不能忽视的事实是发酵细菌有助于复杂的高分子化合物水解为低分子量的底物，进而为其他微生物提供能源和碳素。发酵细菌的分解产物有丙酸、乳酸、乙酸和甲酸等。令人关注的是，运用发酵处理生产酒精或有机酸的过程可以和生物柴油、生物塑料的生产过程相结合——因为两个过程都需要有机溶剂。最重要的是，从GAO中获取的糖原也可以用于合成一种重要生物燃料——生物乙醇。

利用从污水中回收的营养物质（主要为N和P）生产的再生化肥，目前已占到当前农业化肥总需求量的30%。一项全球性的估计表明，化肥生产消耗了世界能源的1.2%（其中92.5%用于N和3%用于P），约占人为温室气体总排放量的1.2%。所以，我们要是将富含PAO的污泥用作肥料，具有巨大的潜力。不过，将污泥用于农业肥料的一个主要限制因素就是其中重金属的含量。然而，越来越多的证据表明，吸附剂（如矿渣）有着较高的重金属吸附能力，可以为含重金属污水提供了一种廉价的处理方案。

除了富含PAO的污泥，污水处理厂常见的矿物沉淀——磷酸铵镁（MgNH4PO4•6H20），也是一种商业化生产的化肥。估计表明，在污水处理厂内，100m3的污水可以生产1kg的磷酸铵镁。磷酸铵镁溶解度低，富含N元素和P元素，这使得它具有用作化肥的优势，同时它能减少营养物的流失和限制水体的富营养化。污水低浓度的悬浮固体和高浓度的氨和磷酸盐可以促进磷酸铵镁的合成。因此，通过维持污水的高离子水平同时不断回收生物量组分（例如从不断增长种群回收）来加快磷酸铵镁的生产，这将是“污水生物炼制列”中另一个可实现的目标。

在N素回收用作化肥生产的背景下，聚硝酸盐菌（能生长在各种不同生态环境）或许也能有助于N素的利用。截至目前，尽管现有的研究尚未描述活性污泥工艺中硝酸盐的积累过程，但可将其看作化肥生产的一个显著氮源。在基于活性污泥工艺的污水处理厂内，选择性的富集策略可以鉴别积累硝酸盐的微生物。

在过去的几十年里，越来越多的环境问题引发了世人对于资源问题的新策略制定与思考完善，即在活性污泥工艺基础上，从污水中回收能源与营养物质。然而，截至目前，能源和营养物质的回收量仍较为有限。本文所提出的“污水生物炼制列”概念，若能最大化地运用现有的和未来的可能有的信息（微生物和它们的代谢类型基因技术研究），则可以实现生物能源、生物塑料、化肥的可持续生产。为了实现这个目标，我们首先应该详细了解生物群落组成中，各类微生物的生态位信息。一旦获得这些信息，参考它们各自的生态位，就可以以一种自下而上的设计方法（重新）优化污水处理流程，而不是以目前这种自上而下的策略在活性污泥发现一百年之际，本设想对于微生物生态学家和工程师来说是一项巨大的挑战。为了实现这一设想，我们还有很长的路要走。

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