功能微生物富集与螯合强化海洋沉积物磷释放：可持续磷管理新策略

《Water Research》：Functional microbial enrichment and chelation-enhanced phosphorus release from marine sediments: Toward sustainable phosphorus management

本研究针对海洋沉积物中磷释放效率低的问题，通过将聚磷菌生物接种与EDTA化学螯合相结合，开发出双模式强化策略。实验表明该策略使总磷释放效率达83.4%，PAOs相对丰度提升至65.0%，并通过沉淀实现98.8%的磷回收率，为海洋磷资源循环利用提供新技术路径。

　　

在波罗的海深处沉积着约220万吨磷，这些沉积磷既是引发水体富营养化的潜在威胁，更是欧盟急需的战略资源。然而传统厌氧培养方法对总磷的释放效率不足15%，特别是占沉积磷40%以上的无机磷释放率极低。如何高效释放并回收这些沉积磷，成为实现磷循环闭合的关键难题。

发表于《Water Research》的这项研究创新性地提出将功能微生物富集与化学螯合增强相结合的双模式策略。研究人员设计了两阶段实验：第一阶段通过厌氧批次试验评估不同螯合剂对磷释放的影响，发现EDTA在15天内使总磷释放率达到48.5%；第二阶段引入PAOs驯化沉积物，经过7天交替厌氧-好氧培养后，再添加EDTA进行6天厌氧培养，最终实现83.4%的总磷释放效率。

关键技术方法包括：采用来自波罗的海不同季节和深度的四种沉积物样本；通过16S rRNA和宏基因组测序分析微生物群落动态；利用PHREEQC软件模拟磷沉淀条件；使用X射线衍射表征回收的沉淀物晶体结构。

3.1 第一阶段螯合剂驱动的磷释放

实验结果显示，50 mM EDTA处理使所有沉积物的磷浓度在6天内达到释放总量的83%，而柠檬酸添加反而抑制磷释放。磷形态分析表明，EDTA主要通过溶解钙磷矿物和铁结合磷来促进磷释放，其中磷灰石磷下降54.2-81.7%。

3.2 厌氧操作下的微生物群落动态

柠檬酸添加导致微生物α多样性显著降低，群落结构发生明显改变，而EDTA处理对微生物群落影响较小。这表明EDTA的磷释放促进作用主要来自化学螯合而非微生物途径。

3.3 连续流批式和厌氧系统下的磷释放性能

在第二阶段实验中，接种PAOs的反应器(R_AC)表现出显著的磷释放能力，最终磷浓度达到146 mg/L。磷质量平衡计算显示，PAOs接种主要促进有机磷的释放，而EDTA添加则进一步强化无机磷的释放。

3.4 第二阶段的微生物响应和功能洞察

宏基因组分析发现，EDTA添加虽然整体抑制了磷代谢基因的丰度，但促进了PAOs（尤其是Candidatus Accumulibacter）对磷功能基因的特异性贡献。KEGG通路富集分析显示，EDTA处理组中糖酵解、TCA循环等核心代谢通路显著富集，为PAOs的代谢活动提供能量支持。

3.5 磷回收模拟和实验验证

PHREEQC模拟指导下的沉淀实验证实，通过添加Fe³⁺可实现98.8%的磷回收率。XRD分析显示沉淀物经550°C煅烧后形成多种磷酸盐晶体相，包括Fe₄(P₄O₁₂)₃和FePO₄等。

该研究首次揭示了EDTA在促进磷释放中的双重作用机制：化学上通过螯合金属离子破坏金属-磷结合，生物上通过环境过滤选择性富集PAOs并强化其磷代谢功能。这种化学-生物协同策略不仅为海洋沉积物磷回收提供了新技术路径，也为快速启动强化生物除磷系统提供了新思路。然而，EDTA的高浓度使用可能带来环境风险，未来需要探索可生物降解的替代螯合剂以确保技术的环境可持续性。