導(dǎo)言：強(qiáng)化生物除磷（EBPR）工藝被廣泛應(yīng)用于污水脫氮除磷，其機(jī)理和相對(duì)于化學(xué)除磷工藝的優(yōu)勢(shì)在此不再贅述，我們傳統(tǒng)認(rèn)知均以Accumulibacter菌（A菌）作為主要的PAOs菌，生物除磷數(shù)學(xué)模擬技術(shù)也是以A菌的代謝作為PAOs代謝進(jìn)行模擬。然而，一直以來(lái)生物除磷對(duì)運(yùn)行條件的苛刻和除磷效果的不穩(wěn)定促使對(duì)生物除磷的研究一直未停歇。現(xiàn)代分子生物學(xué)技術(shù)的進(jìn)步使我們可從更深層次探究生物除磷的主角和機(jī)理，在此背景下，丹麥一研究團(tuán)隊(duì)在丹麥的部分污水處理廠中發(fā)現(xiàn)Tetrasphaera菌（T菌）豐度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于A菌（35% vs 17%），且T菌具有吸磷-釋磷的特性。這再次引發(fā)了對(duì)T菌的興趣和思考，T菌如此高的豐度是否具有普遍性？T菌高豐度存在的合理性是什么（相對(duì)于A菌的優(yōu)勢(shì)）？T菌在生物除磷中的角色和能力到底如何？本文基于組內(nèi)之前發(fā)表的文章，通過(guò)對(duì)T菌證實(shí)發(fā)現(xiàn)以及研究過(guò)程梳理，簡(jiǎn)要介紹下T菌豐度、代謝途徑及活性影響因素方面的研究進(jìn)展。

T菌發(fā)現(xiàn).發(fā)展極簡(jiǎn)史

對(duì)T菌的相關(guān)研究要比A菌晚得多，最早對(duì)T菌的研究報(bào)道可回溯至1994年，但是，對(duì)T菌的重要認(rèn)知也僅僅是近十年的事情。從T菌整個(gè)發(fā)展過(guò)程來(lái)看，可大致分為三個(gè)階段：

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01 菌群鑒別與分類(lèi)階段

1994年，Wagner等檢測(cè)到一類(lèi)區(qū)別于A菌的聚磷微生物，最高可占到總生物量的36%，然而，當(dāng)時(shí)對(duì)PAOs的研究主要集中于A菌，所以，此次發(fā)現(xiàn)并沒(méi)有引起過(guò)多的關(guān)注。隨后，不同地區(qū)學(xué)者均分離出了此類(lèi)聚磷微生物的純種菌株，繼而在2000年，Maszanan等將發(fā)現(xiàn)的幾種不同菌株統(tǒng)一歸入并命名為T(mén)etraspharea菌屬。截止目前，該菌屬包含三個(gè)分支共計(jì)7個(gè)菌株。隨后幾年時(shí)間，對(duì)T菌的研究零零散散，并未成為主流研究方向。值得一提的是Kong等的研究，其在2005年對(duì)丹麥10座污水處理廠中最高檢測(cè)到了35 %的T菌豐度，而A菌平均豐度只有9~17 %；尤其重要的是，這是研究人員第一次在動(dòng)態(tài)條件下（厭氧-好氧）證明了T菌的釋磷/吸磷特性，正式確認(rèn)其是一種新的PAOs。

02 菌群豐度檢測(cè)及除磷能力辨析階段

在2007至2011年間，研究人員對(duì)T菌在不同國(guó)家和地區(qū)實(shí)際污水處理廠中豐度進(jìn)行了大量監(jiān)測(cè)，均檢測(cè)到了高豐度的T菌存在，同時(shí)，不同研究結(jié)果也再次證明了T菌具有的釋磷吸磷能力。需要強(qiáng)調(diào)的是，盡管期間部分研究強(qiáng)調(diào)T菌的“重要作用”、“重要功能”、“重新審視已有的EBPR模型”，但類(lèi)似結(jié)論僅依靠T菌之高豐度或者異位培養(yǎng)純化實(shí)驗(yàn)獲得，只能說(shuō)明T菌擁有“這個(gè)能力”，仍不具有足夠的信服力表明T菌在實(shí)際生物池中發(fā)揮了這種能力。從彼時(shí)起，對(duì)T菌的研究遂開(kāi)始日益增多，研究重點(diǎn)也轉(zhuǎn)移至對(duì)T菌生理及代謝路徑的探究。

03 生理學(xué)及代謝研究階段

2012年以后，對(duì)T菌代謝途徑的厘清成了探究的重點(diǎn)之一，尤其是與A菌代謝的異同，包括反硝化除磷能力、可利用的碳源類(lèi)型、內(nèi)聚物類(lèi)型等，使我們對(duì)T菌的認(rèn)識(shí)更加深入。在此階段需要特別介紹的是拉曼光譜技術(shù)的輔助應(yīng)用，將其與FISH技術(shù)配合，使我們能夠原位區(qū)分T菌和A菌細(xì)胞中的內(nèi)聚物量（Poly-P和糖原）。2019年，F(xiàn)ernando等引入拉曼光譜技術(shù)，對(duì)丹麥8個(gè)污水處理廠的生物除磷進(jìn)行了原位分析，結(jié)果顯示T菌豐度在5個(gè)污水處理廠中相比A菌占優(yōu)勢(shì)，在6個(gè)污水處理廠中除磷貢獻(xiàn)比高于A菌。屬首次實(shí)際污水處理廠內(nèi)原位定量了T菌對(duì)系統(tǒng)磷去除的貢獻(xiàn)，第一次在實(shí)際污水處理環(huán)境下證明了T菌具有與A菌相當(dāng)?shù)某棕暙I(xiàn)和能力。

T菌生理和代謝途徑

盡管目前關(guān)于T菌生理特性和代謝路徑還未被完全揭示、且目前有關(guān)其代謝路徑的報(bào)道仍存在矛盾，但T菌相對(duì)于A菌獨(dú)有的一些生理學(xué)特點(diǎn)逐漸明晰：1）T菌具有發(fā)酵能力，可以依靠發(fā)酵代謝進(jìn)行細(xì)胞維持或增殖；2）實(shí)際污水處理廠中豐度最大T菌（T. elongata）在除磷代謝時(shí)無(wú)法合成PHA作為儲(chǔ)能物質(zhì)；3）T菌可以利用氨基酸等碳源進(jìn)行厭氧釋磷。這些生理學(xué)特點(diǎn)賦予了T菌更大的環(huán)境適應(yīng)能力，可在不同的生態(tài)位得以生長(zhǎng)繁殖。例如，T菌可吸收利用大分子有機(jī)物并降解為小分子物質(zhì)排出胞外，不僅可以此維持自身代謝延續(xù)且發(fā)酵產(chǎn)物可供給其它異養(yǎng)細(xì)菌代謝利用（譬如為A菌提供碳源），由此可知T菌與A菌具有協(xié)同代謝共同完成生物除磷的潛力，這也許是其在污水處理廠中豐度較A菌高的原因之一。

另外，T菌這些不同于A菌的生理特性也賦予其多種潛在的除磷代謝路徑。由于污水廠豐度最大的T菌已被證明無(wú)法合成PHA，這就帶來(lái)了構(gòu)建T菌除磷代謝路徑的首要問(wèn)題——PHA的替代內(nèi)聚物是什么或者說(shuō)是哪種內(nèi)聚物代替PHA提供吸磷的能量供給呢？目前共有三種假說(shuō)代謝模型，構(gòu)建了T菌生物除磷的代謝路徑：1）糖原假說(shuō)（圖1）；2）游離氨基酸假說(shuō)（圖2）；3）發(fā)酵假說(shuō)（圖3）。顧名思義，假說(shuō)1認(rèn)為是糖原代替了PHA的角色，在T菌除磷代謝中發(fā)揮了重要作用；然而，F(xiàn)ernando等無(wú)論在純種培養(yǎng)環(huán)境還是實(shí)際污水廠中，均未檢測(cè)到T菌胞內(nèi)存在糖原，因此，糖原是否為T(mén)菌進(jìn)行除磷代謝的內(nèi)聚物仍待研究確認(rèn)。除糖原外，游離氨基酸亦可能是T菌厭氧環(huán)境下的儲(chǔ)能內(nèi)聚物。除此之外，由于T菌具有的發(fā)酵能力，假說(shuō)3提出T菌在以葡萄糖、天冬氨酸、谷氨酸或甘氨酸作為唯一碳源時(shí)，可利用其進(jìn)行發(fā)酵代謝，該代謝途徑產(chǎn)生的ATP可滿(mǎn)足糖原合成和細(xì)胞維持的需要，甚至富余推動(dòng)對(duì)PO43-吸收，因此提出了T菌厭氧吸磷代謝模型（圖3），這一假說(shuō)仍有待進(jìn)一步探究。

對(duì)T菌代謝影響因素的研究能夠讓我們更好地了解T菌的生長(zhǎng)增殖環(huán)境，以利于我們更好地控制其充分發(fā)揮除磷能力。從已有的文獻(xiàn)可知，對(duì)T菌影響較大的因素包括ORP、溫度和進(jìn)水組分。ORP因素與A菌無(wú)異，一般認(rèn)為厭氧段ORP是維持A菌與其它異養(yǎng)細(xì)菌對(duì)碳源競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)及其除磷性能的關(guān)鍵因素，這同樣適用于T菌。但是，T菌對(duì)ORP的要求更高，一般認(rèn)為只有該值低于-200 mV才適宜T菌生長(zhǎng)繁殖。然而實(shí)際污水處理廠檢測(cè)到的高T菌豐度表明ORP對(duì)T菌的影響仍有待進(jìn)一步確認(rèn)。

已知的數(shù)據(jù)顯示，進(jìn)水組分中工業(yè)廢水的比例越高，T菌的豐度越大。同時(shí)在丹麥等北歐地區(qū)，污水水溫處于10-20℃，T菌在當(dāng)?shù)鼐哂懈哓S度。而澳洲和新加坡地區(qū)，污水水溫在20-30℃，T菌處于低豐度。如下圖（圖4）所示（圓的直徑表示T菌豐度），盡管在高溫地區(qū)對(duì)T菌的檢測(cè)報(bào)道仍然較少，高溫似乎并不利于T菌的增殖；而對(duì)比有無(wú)工業(yè)廢水時(shí)的T菌豐度結(jié)果可知（不考慮斜線填充圓，因?yàn)檫@些點(diǎn)代表了S2EBPR檢測(cè)結(jié)果，而S2EBPR提供了T菌增殖的環(huán)境），進(jìn)水有工業(yè)廢水時(shí)，T菌豐度確實(shí)有所提高。

結(jié)語(yǔ)

T菌作為“潛伏者”是新近發(fā)現(xiàn)的一類(lèi)具有生物除磷功能的聚磷菌，其生理特性也引起了學(xué)者的極大興趣，且具有非常大的應(yīng)用潛力。然而，基于上述的介紹我們可知，目前我們對(duì)T菌的認(rèn)識(shí)并不十分確信和清楚，尤其是T菌的復(fù)雜和多面代謝路徑，這極有可能導(dǎo)致T菌既存在除磷的代謝路徑也存在不除磷的代謝路徑，而我們?nèi)绾芎玫乜刂芓菌充分完成除磷代謝則是我們努力的方向之一。

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