连续通气反应器条件下磷酸盐生物还原：系统性能与磷化氢生成机制

《Journal of Environmental Chemical Engineering》：Phosphate bioreduction under continuously aerated reactor conditions: system performance and mechanisms of phosphine formation

　　

摘要

本研究探讨了曝气磷酸盐生物还原（APBR）系统中微生物在磷化氢毒性胁迫下的响应机制。结果表明，APBR系统中的磷酸盐生物还原及微生物对磷化氢胁迫的适应来源于微生物多方位的生理与生态适应。随着进水有机负荷的增加，反应器维持磷酸盐去除效率在95%以上，有机物降解效率在90%以上。电子传递系统活性（ETSA）和细胞色素c（Cyt c）水平分别增加了252.6%和35.47%，伴随三磷酸腺苷（ATP）浓度和膜通透性的升高。进水有机负荷的增加可在PH₃毒性胁迫下维持高效的电子传递并保存生物能量完整性。同时，通过增强胞外聚合物（EPS）的产生来减轻外部环境冲击。蛋白质与多糖的比值从1.33增加到3.94，形成保护性基质以保存催化酶，碱性磷酸酶和酸性磷酸酶活性分别提高了1.25和1.24倍。宏基因组分析表明APBR系统中微生物群落发生了重组。磷化氢（PH₃）毒性作为选择压力，去除了易感微生物并富集了耐受群体，从而优化了整体群落组成。本研究为理解APBR系统中微生物对磷化氢毒性胁迫的响应机制提供了新的见解。

引言

磷（PO₄^3?）污染已成为重大的环境和公共卫生问题。从废水中去除磷对于减轻水体富营养化及促进日益稀缺的磷资源可持续管理至关重要[49]。当前的除磷技术主要依赖物理化学和生物过程。物理化学方法，如化学沉淀、膜分离和结晶，可实现较高的磷去除效率，尤其适用于富磷废水[6]。然而，这些过程往往伴随高昂的运行成本、化学品消耗和二次废物的产生，限制了其大规模应用。尽管生物除磷技术因其经济和环境优势而被广泛应用，但它主要将磷从废水转移到生物质中。大量磷在废弃活性污泥中积累，给污泥处理、处置和资源回收带来挑战[46]。此外，稳定脱氮所需的长污泥停留时间通常与有利于除磷的短停留时间相冲突，进一步限制了工艺性能。因此，迫切需要一种工艺，同时解决水体磷污染和磷供需结构问题，以克服当前的局限性。

磷酸盐生物还原提供了一种新颖的解决方案，通过微生物活性将水中磷转化为磷化氢气体。值得注意的是，在连续曝气反应器运行期间检测到了磷化氢（PH?）。这一现象挑战了磷化氢主要在厌氧环境中产生的传统观点，是本研究的重要发现之一[8]。该过程能在有氧条件下实现磷的转化，无需厌氧区，从而可能避免污泥停留时间需求与污泥中过量磷积累之间的冲突[7]。此外，回收的磷化氢可作为生产含磷化学品、肥料和电池材料的原料，为磷的回收和再利用提供了潜在途径[13]、[36]。

然而，驱动这一有氧磷化氢产生的内在微生物机制和群落动态仍然知之甚少。许多因素会影响生物系统的稳定性，如电子传递、微生物代谢、关键酶活性和微生物群落结构（Samal，2026）。电子传递被认为是控制微生物还原过程的关键因素，且增强的电子传递已被证明可提高各种氧化污染物的生物还原效率[28]。由于磷酸盐还原为磷化氢需要大量的电子传递，电子传递在磷化氢产生中的作用值得进一步研究。微生物的有机物代谢由各种脱氢过程组成，这些过程由脱氢酶（DHA）催化，产生能量并以三磷酸腺苷（ATP）的形式储存。碳源通过特定载体系统穿过细胞膜进入细胞，优化细胞膜通透性可促进电子穿梭传递并提高电子传递系统活性（ETSA）[12]。然而，从微生物代谢角度研究APBR系统中微生物对磷化氢毒性胁迫响应机制的相关研究很少。特别是，随着磷化氢的积累，微生物是否能维持电子传递、胞外保护和细胞维持仍知之甚少。已有研究表明磷化氢的产生与磷酸酶有关[56]，因此探讨系统中相关酶活性的变化有助于理解磷化氢产生的机制。此外，微生物群落反映了维持和稳定反应器中微生物功能的机制，因此进一步阐明APBR系统中微生物群落对磷化氢毒性胁迫的响应机制具有重要的工程意义。

本研究的目标是：(1)评估APBR系统的污染物去除和磷化氢产生性能；(2)通过研究胞外聚合物、电子传递、微生物代谢活性、关键酶活性和微生物群落演替，揭示微生物对磷化氢毒性胁迫的代谢响应。本研究从微观角度为APBR过程中磷化氢的产生及微生物对磷化氢毒性胁迫响应的保护机制提供了更全面的理论信息。

章节摘录

反应器运行

实验使用有机玻璃制成的序批式生物膜反应器（SBBR），总工作体积为7 L（高度300 mm，直径200 mm），放置在30^?C的密封保温室内。生化球按50%的体积装入SBBR中以富集生物膜（图S1）。接种污泥采集自中国天津市某市政污水处理厂。每个SBBR周期设置为24 h并连续曝气。在每个SBBR周期的最后15

APBR系统性能

APBR系统的生物还原性能在120天内进行了研究，以出水PO₄^3--P和COD浓度作为指标（图1a-b）。整个实验期间，进水PO₄^3--P浓度为10 mg/L，溶解氧维持在6 mg/L。在第一阶段（第1-30天），使用700 mg/L葡萄糖进行驯化，PO?3?-P去除率逐渐增加至25.1%，而COD去除率始终保持在90%以上，表明生物膜成功建立且反应器运行稳定

结论

本研究成功构建了一个具有优异污染物去除性能和磷化氢产生能力的APBR系统。微生物增强了代谢活性和电子传递过程，促进了磷酸盐生物还原过程。同时，微生物通过分泌各种关键酶来调节其抗氧化能力和细胞内代谢，以应对恶劣环境。Lysobacter、

未引用参考文献

Kundan [21]

CRediT作者贡献声明

Yi Han： 写作——审阅与编辑、可视化、方法论、资金获取、概念构思。Jianbing Zhang： 软件、方法论、资金获取。Yuanzheng Chen： 写作——初稿撰写、验证、方法论、数据整理。Haibo Li： 资源、方法论。Lei Feng： 软件、数据整理。Guiying Zhang： 数据整理。Runnan Zhao： 概念构思。

利益冲突声明

作者声明他们不存在已知的竞争性经济利益或个人关系可能影响本文所报告的工作。

致谢

本研究得到天津市科技计划项目（项目编号24PTLYHZ00310）、天津市自然科学基金（项目编号25JCYBJC00200）和天津市水科学与技术重点实验室（TJKLAST-PT-2025-03）的支持。

Chen Yuanzheng | Zhang Jianbing | Feng Lei | Li Haibo | Zhao Runnan | Zhang Guiying | Han Yi

天津城建大学环境与市政工程学院，中国天津 300384