过度代谢促使富集的有氧微生物群落中快速发生碳、氮和磷的固定

《Water Research》：Overflow metabolism drives high-rate carbon, nitrogen and phosphorus sequestration in an enriched aerobic microbial community

　　摘要：废水稳定池在全球范围内被广泛用于低成本废水处理，但其微生物群的功能潜力至今仍未得到充分利用。本研究探讨了从废水稳定池中富集得到的好氧微生物群的动力学与代谢能力，发现该群体具有“生长失衡”的特征，这一特征从根本上改变了污染物处理的化学计量关系。在脉冲供料条件下，该微生物群在6毫克/升的溶解氧浓度下仍能实现高效率的养分去除——葡萄糖、铵态氮和磷酸盐的去除速率分别为10、0.7和0.3毫米摩尔/克MLSS·小时，这一效率是传统活性污泥法的十倍以上。全面的代谢分析表明，碳吸收与氧化磷酸化过程存在解耦现象，这种类似溢流状态的表型并未通过呼吸作用测定、NAD(P)H或蛋白质组数据得到直接验证。糖酵解通量与呼吸能力之间的这种动力学不匹配引发了多种代谢调节机制：多余的碳通量被用于丙酮酸的排出以及聚羟基丁酸合成过程的延迟，而过剩的ATP则促使磷酸盐以胞内多聚磷酸的形式被大量吸收，这一现象可通过甲蓝染色以及溶液中磷酸盐含量的下降得到证实。独特的是，氮的同化与胞内储存也与生物量形成过程解耦，反映出在碳限制条件下，同化途径、蓝藻素储存以及临时性胞内积累之间存在复杂的动态平衡。在实际运行中，这种类似溢流的状态使得约61%的输入碳被转化为可利用的生物量及储存聚合物，从而减少了与传统活性污泥法相比的氧化碳损失。这一策略尤其适用于高COD、低养分的废水，这类废水的COD含量通常是普通城市污水的4倍左右。这些研究结果为工艺强化提供了理论依据，表明利用动力学速率与能量产出之间的热力学权衡，可将废水处理从单纯的污染控制手段转变为高效、低碳的资源回收策略。

引言：废水处理行业正在从成本高昂的线性模式向可持续的循环模式转型（Zhang和Liu，2022）。受经济、法规和环境因素影响，该行业预计将迎来快速发展，到2032年其市场规模有望超过6000亿美元，2023年至2032年的复合年增长率将达到7.5%（Fortune Business Insights，2024）。这一转型得益于“减少-回收-再利用”的新理念、先进技术以及公众需求的推动，这些因素共同促使废水被视为一项宝贵的资源（Lema和Martinez，2017）。在这一变革中处于核心地位的是水资源回收设施。这类设施能够主动收集并重新利用水、能源、养分和矿物质，将原本的负担转化为具有战略意义的资产，有助于节约资源、减少污染并创造新的收入来源（Wallis-Lage等人，2011）。

水资源回收设施通过两种策略从根本上改变了废水处理方式：其一，通过设备升级、先进的控制系统以及人工智能驱动的工艺优化，提升能源利用效率，从而降低能耗；其二，直接利用废水本身产生能源（Ekama，2021）。废水中的有机物所含的能量是其处理所需能量的九倍，水资源回收设施通过厌氧消化技术将这些有机物转化为沼气，从而实现能源回收（Shizas和Bagley，2004）。部分沼气可用于为处理设施提供动力，剩余部分则可以出售，从而将一项重大的运营成本转化为潜在的收入来源。这种方法不仅有助于减轻环境影响，还有助于构建一个自我维持且具有经济可行性的处理模式。例如，智利有一座污水处理厂通过出售沼气，每年可获得100万美元的利润（世界银行，2019）。

全球范围内的废水氮管理方式效率低下且存在矛盾，但其设计思路却深受传统工程实践的影响。传统的污水处理厂采用能耗较高的工艺，如硝化、反硝化或厌氧氨氧化反应，将活性氮尤其是铵态氮转化为无害的氮气，以满足严格的排放标准（Rahimi等人，2020）。然而，这一工艺实际上与耗能极高的哈伯-博施工艺相反，后者需要消耗全球约1-2%的能源，将大气中的氮气转化为可用于合成肥料的活性氮（San Martín，2020）。这就形成了一个浪费资源、不可持续且成本高昂的循环：一方面，农业领域需要大量能源来固定氮元素；另一方面，城市污水处理过程又需要耗费大量能源来“分解”这些氮元素。此外，那些含有大量氮元素的城区往往远离需要肥料的农田（尤其是在澳大利亚），运输成本也是一大难题。如果能够充分利用废水中的铵态氮，将其从污染物转化为宝贵资源，就可以实现氮循环的闭环，从而在能源消耗、污染物排放和成本控制方面取得显著成效。

有大量证据表明，氮管理应当从以损失控制为主转向以回收利用为核心（Spiller等人，2022）。在这方面，具有多种功能的微生物发挥着重要作用，它们既能够同化氨态氮（Liu等人，2025），也能够合成蓝藻素和γ-聚谷氨酸等复杂生物聚合物，展现出强大的能力，能够同化并将活性氮储存在细胞内（Li等人，2022；Sharon等人，2023）。近年来，关于生物法氮回收的研究不断增多，人们越来越关注各种替代策略。以微藻为基础的系统就是典型的氮同化回收系统，它们不仅具有吸收氮的能力，还能大量储存有机碳、无机碳、氮和磷（Su，2021）。在光合作用的驱动下，这些微藻能够将污染物转化为蛋白质、脂类和碳水化合物等高价值产物，这些产物储存在微藻细胞内（Chew等人，2017）。尽管基于微藻的养分回收技术以及将其转化为生物燃料和生物肥料的技术已经相当成熟，但由于存在固体分离困难以及需要较大土地面积等操作上的问题，这些技术的大规模应用仍然面临阻碍（Acién Fernández等人，2018）。

异养细菌对铵态氮的同化与储存为废水处理提供了一种全新的思路，有望成为替代基于光合作用微藻系统的有效方案。虽然目前只有少数研究探讨过这一方法，但最近在活性污泥中的研究发现，一些细菌，如黄杆菌、累积杆菌属候选种、铜色杆菌、枯草芽孢杆菌和佩多巴acter菌，具备将氮以蓝藻素形式储存的能力（Zou等人，2022）。在两座大型污水处理厂中测得的蓝藻素产量分别为冬季每克干污泥104±26毫克，夏季为76±13毫克，这一数值与聚羟基烷酸酯和海藻酸盐等传统生物聚合物的产量相当，说明蓝藻素储存是一种尚未被充分重视的氮去除途径（Zou等人，2022）。这些研究结果揭示了该技术在调控机制、规模化应用以及稳定性方面的不足，为氮回收领域的生物技术创新提供了新的机遇。

此外，异养细菌的胞内磷储存技术已经通过强化生物除磷工艺被应用于废水处理中（Oehmen等人，2007）。该工艺依赖于一类特殊的异养细菌——多聚磷酸盐积累菌，这类细菌能够在细胞内储存大量磷元素（Yeates和Blackall，2006）。与大多数异养细菌仅含有少量磷不同，多聚磷酸盐积累菌能够积累大量磷，其生物量中的磷含量可达30–50毫克磷/克干污泥，而传统活性污泥的磷含量通常仅为5–15毫克磷/克干污泥（Petriglieri等人，2022）。这种在生物量中富集磷元素的过程，为后续的磷回收奠定了基础。

厌氧消化是循环型废水处理系统中的关键组成部分，它具有两大功能：能源回收和养分浓缩（Batstone和Virdis，2014）。来自活性污泥处理的微生物生物质富含碳、氮和磷元素，是厌氧消化理想的原料。在厌氧消化过程中，厌氧细菌会将废水中的有机物转化为沼气，其中甲烷占比约为55–70%，二氧化碳占比约为30–45%，这样就能将废水中的化学能转化为可再生的燃料。经过消化处理后，原水中较低的养分浓度会被集中到体积较小的消化出水当中，从而实现氮和磷的浓缩（Verstraete等人，2009）。这种高浓度的出水为资源回收提供了良好机会，而这正是循环经济模式的核心所在。通过沉淀硫酸铵镁（MgNH?PO?·6H?O），可以从这种浓缩废水中回收养分，进而制得具有较高农业价值的缓释肥料（Siciliano等人，2020）。

虽然通过多聚磷酸盐积累菌实现胞内磷储存的技术已经十分成熟，但类似的氮回收策略，比如通过异养细菌将氮转化为蓝藻素，目前还几乎未被研究。尽管废水稳定池作为一种低成本、高效率的废水处理技术已被长期使用，但相关研究通常侧重于其水力性能、污染物去除效率以及运行设计方面（Mara，2009）。相比之下，尽管微生物群落及其功能相互作用在推动养分转化、有机物分解以及整个系统稳定性方面起着至关重要的作用，但这类研究却相对较少（Coggins等人，2020；Ho和Goethals，2020）。

在这种背景下，与藻类和蓝细菌细胞紧密相关的微生物——即藻圈微生物，由于在白天会暴露在较高的过饱和溶解氧环境中，至今仍缺乏足够的研究。尽管预计它们在养分循环和生物量生成中的作用将为废水处理带来新的技术和理念突破（Wirth等人，2020），但相关研究仍然十分有限。本研究便是首批试图填补这些知识空白的研究之一，通过富集并分析废水稳定池中微生物群的功能潜力，深入探讨其特性。

因此，本研究旨在富集一种混合异养微生物群，这类微生物群能够同化并将废水中的有机碳、氮和磷储存在细胞内。研究人员利用废水稳定池中的微生物生物质，在20–22℃的全好氧条件下，于序批式反应器中培养出了这种混合微生物群。随后，他们对这种微生物群的养分去除效率、相关机制以及碳氮平衡进行了评估。通过证明异养细菌具有多种养分储存能力，本研究弥补了氮回收研究中的重要空白，同时也凸显了这类微生物在综合性水资源回收设施中的潜在应用价值。具体而言，本研究旨在回答以下问题：（i）在所富集的微生物群中，铵态氮的去除主要是通过同化作用还是储存作用实现的，而非硝化-反硝化作用；（ii）在完全好氧条件下，磷酸盐的去除是否是通过过量吸收多聚磷酸盐实现的；（iii）观察到的碳、氮和磷的去除动力学特征是否与那种类似溢流状态的代谢表型相符。

反应器设置与运行：本研究在实验室规模下使用了序批式反应器，该反应器的直径为16厘米，高度为38厘米，容积为6升。在20–22℃的全好氧条件下，研究人员使用合成培养基对反应器进行操作（见图1）。反应器的pH值通过在线传感器进行监测，该传感器为Ionode IJ44型号，由澳大利亚的Ionode Pty Ltd公司生产，研究人员通过反馈控制的方式，添加2摩尔的氢氧化钠来将pH值维持在6.5左右。氧化还原电位则通过Ionode IJ64型号传感器进行连续监测，但并不进行主动控制。反应器内部还配备了搅拌装置，型号为RZR2020。

好氧混合微生物群对碳、氮和磷的高效去除：为了评估所富集的微生物群稳定去除废水中的碳、氮和磷的能力，研究人员在反应器运行的前四个月内，持续监测了进水与出水中的碳、氮和磷浓度（见图2A）。在反应器运行大约28天后，随着沉淀作用的进行以及生物量的增加，生物量最终达到了3克/升。此时，该序批式反应器对碳、氮和磷的去除效率非常高，葡萄糖已被完全消耗，而进水中的铵态氮和磷酸盐浓度也降到了很低的水平。

结论：本研究阐明了废水处理领域发生根本性变革的机制，即处理方式从依赖氧化分解转变为依赖同化储存。我们的研究数据表明，当微生物群的生长速率达到最大值时，碳吸收过程会与氧化磷酸化过程解耦。这种类似溢流状态的代谢表型表现为明显的丙酮酸排出现象，而氧化还原电位的下降则进一步佐证了这一现象。

数据可用性：本研究生成的所有数据，如需获取，可向相应的研究作者提出合理请求即可获得。

CRediT作者贡献说明：Dilani D. Jayathilaka：负责原文撰写、可视化处理、结果验证、方法设计、研究实施、数据整理以及概念构思工作。Md Iqbal Hossain：负责文本审阅与编辑、方法设计以及定量分析工作。Linda L. Blackall：负责文本审阅与编辑工作。Ka Yu Cheng：负责文本审阅与编辑、研究指导以及定量分析工作。Ranjan Sarukkalige：负责文本审阅与编辑、研究指导、项目管理工作以及资金筹措工作。Maneesha P. Ginige：负责文本审阅与编辑、研究指导工作。

利益冲突声明：作者们声明，他们不存在任何可能影响本研究结果的已知财务利益或个人关系。

致谢：作者们感谢CSIRO环境部门提供的财政支持，以及柯廷大学提供的RTP奖学金，正是这些支持使得本研究得以顺利进行。

Dilani D. Jayathilaka|Md Iqbal Hossain|Linda L.布莱克奥尔|卡·于·程|兰詹·萨鲁卡尔吉格|马尼莎·P·吉尼格澳大利亚西澳州沃特福德市康隆街7号，CSIRO环境部门，邮编6152