综述：(再)工程化微生物群落结构-功能-代谢以实现可持续废水处理和卫生

这篇综述系统探讨了通过重新设计微生物群落（microbiome）优化废水处理的创新策略，提出将传统资源消耗型处理模式转向资源循环型（如碳回收为挥发性脂肪酸VFA、甲烷CH4，氮磷回收为struvite），并重点分析了短程脱氮（ScBNR）、部分反硝化-厌氧氨氧化（PdNA）等节能技术。文章强调微生物生态学与过程工程的协同，为应对全球水-能-食物纽带挑战提供了微生物驱动的解决方案。

　　

(再)工程化微生物群落结构-功能-代谢实现可持续废水处理与卫生

传统生物污水处理厂的微生物学与代谢特征

传统活性污泥法依赖混合微生物群落降解有机碳（C）、氮（N）、磷（P）。好氧处理中，化学异养菌主导碳氧化，氨氧化菌（AOB）和古菌（AOA）及亚硝酸盐氧化菌（NOB）驱动硝化，而反硝化菌完成脱氮。聚磷菌（PAOs）通过“奢侈吸磷”实现生物除磷。厌氧消化（AD）则依赖水解菌、产酸菌与产甲烷古菌的级联代谢，将有机物转化为CH₄和CO₂。值得注意的是，近年发现的全程氨氧化菌（comammox Nitrospira）因其高氨亲和力可能重塑氮循环调控策略。

微生物群落的工程与生态驱动因素

微生物群落结构受反应器设计（如污泥龄θ_C）、电子供受体类型及热力学条件共同影响。传统动力学模型（如SRT=1/(μ-b)）未能充分体现微生物互作网络，需结合生态学原理优化。例如，低溶解氧（DO）条件下AOB的富集可抑制NOB，为短程脱氮（ScBNR）创造条件。

资源高效型微生物群落重构方向

厌氧碳循环改造：将传统AD升级为挥发性脂肪酸（VFA）生产平台，VFA可作为聚羟基脂肪酸酯（PHA）、生物甲醇等高值化学品前体。加纳粪便污泥中氢营养型产甲烷菌的天然优势提示地域特异性微生物组设计潜力。
氮循环革新：短程脱氮技术（如部分硝化-厌氧氨氧化PNA）可节省25%曝气能耗与40%碳源投加。部分反硝化（PdN）耦合厌氧氨氧化（PdNA）进一步简化主流污水脱氮流程，其中Thauera属与Ca. Brocadia的代谢协作尤为关键。
磷与碳协同回收：厌氧发酵（AF）产生的VFA可驱动磷释放，后续通过鸟粪石（struvite）结晶回收磷，形成闭环。

低碳足迹污水处理技术

传统脱氮过程易产生强温室气体N₂O（温室效应为CO₂的300倍），而完全自养的厌氧氨氧化途径可规避此风险。美国数据显示，优化工艺可使污水处理厂N₂O排放量低于IPCC估算值的1.6%。

工程化微生物组的技术实现

通过流程重构（图4-7）可实现：

1. 碳捕获导向的AF-AD联产VFA与CH₄；
2. 限氧曝气富集高亲和力AOB；
3. 侧流消化液处理强化主流PdNA菌群扩增。例如，甘油筛选的Thauera与甲醇富集的甲基营养菌可定向调控PdN过程。

未来展望

多组学技术将加速解开微生物“黑箱”，但需超越基础研究，推动技术落地。例如，真核微生物组对新兴污染物（如药物残留）的降解能力尚未充分开发。从Monod方程到16S rRNA测序的范式革新启示我们：微生物工程的下一个里程碑在于将分子互作知识转化为解决水-能-粮危机的实际方案。