重新评估以糖原积累为特征的生物体作为生态适应者的角色：揭示GAO（糖原调节因子）在促进磷富集过程中的机制机制

《Journal of Environmental Sciences》：Reevaluating Glycogen-Accumulating Organisms as Ecological Flexors: Mechanistic Insights into GAO-Mediated Enhancement of Phosphorus Enrichment

通过调控碳磷比（20-40 mg-COD/mg-P）和溶解氧（4-6 mg/L），发现高糖原积累菌（GAOs）丰度（21.02%）与磷回收率＞80 mg/L及＞95%去除效率正相关，颠覆传统EBPR模型中GAOs有害的认知。研究揭示GAOs通过增强糖原分解和聚磷酸盐合成（PHAs）支持高耗能磷富集，其主导地位可通过优化碳源利用实现。微生物多样性维持和功能基因表达稳定性是其关键机制。

　　本研究对废水处理过程中糖原积累菌（GAOs）与聚磷菌（PAOs）之间的相互作用进行了深入探讨，挑战了传统观点中认为GAOs对生物除磷（EBPR）有害的假设。研究通过调整碳磷比（C/P）和溶解氧（DO）浓度，建立了一个模拟生物膜序批式反应器（BSBR）的实验系统，观察GAOs和PAOs在不同环境条件下的丰度变化及其对磷回收性能的影响。结果显示，在高GAOs丰度（21.02%）的情况下，系统仍能实现超过80 mg/L的磷回收和超过95%的去除效率，这与常规的EBPR模型预期相悖。研究进一步揭示了GAOs在微生物群落中发挥的积极作用，包括促进糖原降解和聚羟基脂肪酸（PHA）合成，支持高能耗的磷积累过程。此外，GAOs还能够维持微生物多样性并稳定功能基因的表达，从而增强整个系统的稳定性。

在废水处理领域，随着对磷排放标准的日益严格，增强生物除磷（EBPR）技术因其经济性和环保性而被广泛应用于全球的污水处理厂。与传统的侧流磷回收方法不同，增强生物除磷与富集（EBPRE）技术能够在主流程中实现高效的磷去除和富集，这通常通过生物膜序批式反应器（BSBR）系统来实现。EBPR和EBPRE均依赖于聚磷菌（PAOs）进行磷的吸收和储存，而GAOs则通过共享部分代谢途径与PAOs竞争，但缺乏磷积累循环。因此，GAOs通常被认为会干扰磷代谢，影响系统的稳定性。然而，本研究通过实验数据表明，即使在GAOs丰度较高的情况下，系统仍能保持较高的磷去除效率和富集水平，这为理解GAOs在生物膜系统中的作用提供了新的视角。

GAOs在生物膜系统中扮演着关键角色，它们不仅与PAOs争夺有机碳资源，还可能通过其代谢活动间接影响整个系统的功能。研究表明，在高GAOs丰度的系统中，糖原降解和PHA合成过程被显著增强，这有助于维持系统的能量平衡，并支持磷的高效积累。相比之下，当GAOs丰度较低时，系统中的醋酸盐摄取和PHB聚合能力受到抑制，导致磷回收效率下降。因此，GAOs的存在并非完全不利，而是可能在特定条件下对磷回收产生积极影响。这种发现不仅颠覆了传统的EBPR模型，还为优化生物膜系统的磷回收性能提供了新的思路。

本研究的实验设计充分考虑了影响GAOs和PAOs丰度的关键因素，特别是碳磷比（C/P）和溶解氧（DO）浓度。C/P比是影响微生物代谢和磷积累的重要参数，它不仅决定了碳源的可用性，还影响了PAOs和GAOs之间的竞争关系。实验结果显示，较高的C/P比和DO浓度能够促进GAOs的增殖，尤其是以*Candidatus Competibacter*为代表的菌种。这种现象可能与GAOs对氧气的较低亲和性有关，使得它们在较高DO环境下仍能保持较高的活性。同时，较高的DO浓度也促进了生物膜中碳和磷的转化过程，从而提高了系统的整体性能。

除了对GAOs和PAOs丰度的影响，本研究还探讨了GAOs在微生物群落中的调控作用。GAOs能够维持微生物多样性，这有助于提高系统的适应性和稳定性。在某些情况下，高GAOs丰度反而可能促进PAOs的代谢活动，因为它们可能通过影响碳源的分配来间接支持PAOs的磷积累过程。此外，GAOs还能够稳定功能基因的表达，这对于维持系统的长期运行至关重要。这些发现表明，GAOs在生物膜系统中不仅是一个竞争者，更可能是系统稳定性和性能的重要调节者。

在实际应用中，如何在生物膜系统中平衡GAOs和PAOs的丰度，以实现高效的磷回收和系统的稳定运行，是一个值得深入研究的问题。传统观点认为，PAOs的主导地位是实现高效磷去除的前提，而GAOs的丰度应尽可能被抑制。然而，本研究通过实验数据表明，GAOs在特定条件下可以成为系统性能的有益因素。因此，未来的废水处理技术可能需要重新评估GAOs的作用，并探索如何在不损害磷回收效率的前提下，合理调控GAOs的丰度。

此外，研究还揭示了GAOs在氮和磷转化过程中的潜在机制。通过分析微生物群落和功能基因的表达情况，研究人员发现GAOs可能通过影响碳源的利用模式，间接促进氮和磷的转化。这种发现不仅有助于理解生物膜系统中氮磷协同去除的机制，还为优化废水处理工艺提供了新的方向。例如，在高GAOs丰度的系统中，可能需要调整碳源的种类和浓度，以确保磷的高效回收同时不影响氮的去除效率。

本研究的意义在于，它不仅挑战了传统对GAOs的负面看法，还为优化生物膜系统的磷回收性能提供了理论支持。通过调控C/P比和DO浓度，研究人员能够建立一个既能维持高GAOs丰度，又能实现高效磷回收的系统。这种系统的设计和运行方式，为未来废水处理技术的发展提供了新的思路。例如，在设计新的生物膜反应器时，可以考虑在一定范围内提高GAOs的丰度，以增强系统的碳利用效率和磷回收能力。

从应用角度来看，这一研究结果对实际污水处理厂的运行具有重要的指导意义。传统的EBPR系统通常通过抑制GAOs的增殖来提高磷去除效率，但这种方法可能会导致系统的稳定性下降。而本研究的发现表明，在某些情况下，GAOs的增殖可能有助于维持系统的稳定性和性能。因此，未来的污水处理厂可能需要重新评估GAOs的管理策略，并探索如何在不影响磷去除效率的前提下，合理利用GAOs的代谢能力。

本研究还强调了微生物群落动态在磷回收过程中的重要性。在高GAOs丰度的系统中，微生物群落的结构和功能可能发生了显著变化，这种变化可能对磷的回收效率产生积极影响。例如，GAOs的增殖可能促进了糖原的降解和PHA的合成，这些过程在高能耗的磷积累中起着关键作用。因此，理解微生物群落的动态变化，对于优化磷回收系统至关重要。

综上所述，本研究通过实验数据揭示了GAOs在生物膜系统中的积极作用，挑战了传统观点中对GAOs的负面看法。研究结果表明，GAOs的丰度变化可能对磷回收性能产生重要影响，而合理的调控策略可以提高系统的整体效率。这些发现不仅有助于深化对EBPR和EBPRE机制的理解，还为未来的废水处理技术提供了新的发展方向。通过进一步研究GAOs在不同环境条件下的代谢行为，以及它们与PAOs之间的相互作用，可以更全面地掌握生物膜系统中磷回收的调控机制，从而推动这一技术的广泛应用。