研究综述 | 生物除磷：T菌作用大于A菌？

导言：强化生物除磷（EBPR）工艺被广泛应用于污水脱氮除磷，其机理和相对于化学除磷工艺的优势在此不再赘述，我们传统认知均以Accumulibacter菌（A菌）作为主要的PAOs菌，生物除磷数学模拟技术也是以A菌的代谢作为PAOs代谢进行模拟。然而，一直以来生物除磷对运行条件的苛刻和除磷效果的不稳定促使对生物除磷的研究一直未停歇。现代分子生物学技术的进步使我们可从更深层次探究生物除磷的主角和机理，在此背景下，丹麦一研究团队在丹麦的部分污水处理厂中发现Tetrasphaera菌（T菌）丰度远远大于A菌（35% vs 17%），且T菌具有吸磷-释磷的特性。这再次引发了对T菌的兴趣和思考，T菌如此高的丰度是否具有普遍性？T菌高丰度存在的合理性是什么（相对于A菌的优势）？T菌在生物除磷中的角色和能力到底如何？本文基于组内之前发表的文章，通过对T菌证实发现以及研究过程梳理，简要介绍下T菌丰度、代谢途径及活性影响因素方面的研究进展。

T菌发现.发展极简史

对T菌的相关研究要比A菌晚得多，最早对T菌的研究报道可回溯至1994年，但是，对T菌的重要认知也仅仅是近十年的事情。从T菌整个发展过程来看，可大致分为三个阶段：

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01 菌群鉴别与分类阶段

1994年，Wagner等检测到一类区别于A菌的聚磷微生物，最高可占到总生物量的36%，然而，当时对PAOs的研究主要集中于A菌，所以，此次发现并没有引起过多的关注。随后，不同地区学者均分离出了此类聚磷微生物的纯种菌株，继而在2000年，Maszanan等将发现的几种不同菌株统一归入并命名为Tetraspharea菌属。截止目前，该菌属包含三个分支共计7个菌株。随后几年时间，对T菌的研究零零散散，并未成为主流研究方向。值得一提的是Kong等的研究，其在2005年对丹麦10座污水处理厂中最高检测到了35 %的T菌丰度，而A菌平均丰度只有9~17 %；尤其重要的是，这是研究人员第一次在动态条件下（厌氧-好氧）证明了T菌的释磷/吸磷特性，正式确认其是一种新的PAOs。

02 菌群丰度检测及除磷能力辨析阶段

在2007至2011年间，研究人员对T菌在不同国家和地区实际污水处理厂中丰度进行了大量监测，均检测到了高丰度的T菌存在，同时，不同研究结果也再次证明了T菌具有的释磷吸磷能力。需要强调的是，尽管期间部分研究强调T菌的“重要作用”、“重要功能”、“重新审视已有的EBPR模型”，但类似结论仅依靠T菌之高丰度或者异位培养纯化实验获得，只能说明T菌拥有“这个能力”，仍不具有足够的信服力表明T菌在实际生物池中发挥了这种能力。从彼时起，对T菌的研究遂开始日益增多，研究重点也转移至对T菌生理及代谢路径的探究。

03 生理学及代谢研究阶段

2012年以后，对T菌代谢途径的厘清成了探究的重点之一，尤其是与A菌代谢的异同，包括反硝化除磷能力、可利用的碳源类型、内聚物类型等，使我们对T菌的认识更加深入。在此阶段需要特别介绍的是拉曼光谱技术的辅助应用，将其与FISH技术配合，使我们能够原位区分T菌和A菌细胞中的内聚物量（Poly-P和糖原）。2019年，Fernando等引入拉曼光谱技术，对丹麦8个污水处理厂的生物除磷进行了原位分析，结果显示T菌丰度在5个污水处理厂中相比A菌占优势，在6个污水处理厂中除磷贡献比高于A菌。属首次实际污水处理厂内原位定量了T菌对系统磷去除的贡献，第一次在实际污水处理环境下证明了T菌具有与A菌相当的除磷贡献和能力。

T菌生理和代谢途径

尽管目前关于T菌生理特性和代谢路径还未被完全揭示、且目前有关其代谢路径的报道仍存在矛盾，但T菌相对于A菌独有的一些生理学特点逐渐明晰：1）T菌具有发酵能力，可以依靠发酵代谢进行细胞维持或增殖；2）实际污水处理厂中丰度最大T菌（T. elongata）在除磷代谢时无法合成PHA作为储能物质；3）T菌可以利用氨基酸等碳源进行厌氧释磷。这些生理学特点赋予了T菌更大的环境适应能力，可在不同的生态位得以生长繁殖。例如，T菌可吸收利用大分子有机物并降解为小分子物质排出胞外，不仅可以此维持自身代谢延续且发酵产物可供给其它异养细菌代谢利用（譬如为A菌提供碳源），由此可知T菌与A菌具有协同代谢共同完成生物除磷的潜力，这也许是其在污水处理厂中丰度较A菌高的原因之一。

另外，T菌这些不同于A菌的生理特性也赋予其多种潜在的除磷代谢路径。由于污水厂丰度最大的T菌已被证明无法合成PHA，这就带来了构建T菌除磷代谢路径的首要问题——PHA的替代内聚物是什么或者说是哪种内聚物代替PHA提供吸磷的能量供给呢？目前共有三种假说代谢模型，构建了T菌生物除磷的代谢路径：1）糖原假说（图1）；2）游离氨基酸假说（图2）；3）发酵假说（图3）。顾名思义，假说1认为是糖原代替了PHA的角色，在T菌除磷代谢中发挥了重要作用；然而，Fernando等无论在纯种培养环境还是实际污水厂中，均未检测到T菌胞内存在糖原，因此，糖原是否为T菌进行除磷代谢的内聚物仍待研究确认。除糖原外，游离氨基酸亦可能是T菌厌氧环境下的储能内聚物。除此之外，由于T菌具有的发酵能力，假说3提出T菌在以葡萄糖、天冬氨酸、谷氨酸或甘氨酸作为唯一碳源时，可利用其进行发酵代谢，该代谢途径产生的ATP可满足糖原合成和细胞维持的需要，甚至富余推动对PO43-吸收，因此提出了T菌厌氧吸磷代谢模型（图3），这一假说仍有待进一步探究。

对T菌代谢影响因素的研究能够让我们更好地了解T菌的生长增殖环境，以利于我们更好地控制其充分发挥除磷能力。从已有的文献可知，对T菌影响较大的因素包括ORP、温度和进水组分。ORP因素与A菌无异，一般认为厌氧段ORP是维持A菌与其它异养细菌对碳源竞争优势及其除磷性能的关键因素，这同样适用于T菌。但是，T菌对ORP的要求更高，一般认为只有该值低于-200 mV才适宜T菌生长繁殖。然而实际污水处理厂检测到的高T菌丰度表明ORP对T菌的影响仍有待进一步确认。

已知的数据显示，进水组分中工业废水的比例越高，T菌的丰度越大。同时在丹麦等北欧地区，污水水温处于10-20℃，T菌在当地具有高丰度。而澳洲和新加坡地区，污水水温在20-30℃，T菌处于低丰度。如下图（图4）所示（圆的直径表示T菌丰度），尽管在高温地区对T菌的检测报道仍然较少，高温似乎并不利于T菌的增殖；而对比有无工业废水时的T菌丰度结果可知（不考虑斜线填充圆，因为这些点代表了S2EBPR检测结果，而S2EBPR提供了T菌增殖的环境），进水有工业废水时，T菌丰度确实有所提高。

结语

T菌作为“潜伏者”是新近发现的一类具有生物除磷功能的聚磷菌，其生理特性也引起了学者的极大兴趣，且具有非常大的应用潜力。然而，基于上述的介绍我们可知，目前我们对T菌的认识并不十分确信和清楚，尤其是T菌的复杂和多面代谢路径，这极有可能导致T菌既存在除磷的代谢路径也存在不除磷的代谢路径，而我们如很好地控制T菌充分完成除磷代谢则是我们努力的方向之一。