在過去的幾十年里，越來越多的環(huán)境問題引發(fā)了世人對于資源問題的新策略制定與思考完善，即在活性污泥工藝基礎(chǔ)上，從污水中回收能源與營養(yǎng)物質(zhì)。然而，截至目前，能源和營養(yǎng)物質(zhì)的回收量仍較為有限。本文所提出的“污水生物煉制列”概念，若能最大化地運(yùn)用到現(xiàn)有的和未來可能有的信息中，則可以實(shí)現(xiàn)生物能源、生物塑料、化肥的可持續(xù)生產(chǎn)。

一百年前，英國人Ardern和Lockett發(fā)現(xiàn)了活性污泥對于污水生物修復(fù)過程的重大作用——該物質(zhì)可以使異養(yǎng)微生物同化或者生成氧化進(jìn)水中的有機(jī)質(zhì)。曝氣后，懸浮的微生物可以利用重力從處理后的污水中分離開來，大部分污泥將會(huì)回流，這一部分污泥就被稱為活性污泥。

迄今為止，基于活性污泥法的變種工藝已經(jīng)在全世界污水處理廠投入運(yùn)行，包括進(jìn)一步的除磷、硝化—反硝化、厭氧氨氧化以及剩余污泥的厭氧消化等工藝。但是，曝氣和回流污泥過程中需要消耗大量化石燃料所產(chǎn)生的能源，此舉無疑又增加了大量人為的溫室氣體排放。除此之外，該過程同時(shí)還會(huì)產(chǎn)生潛在的溫室氣體，如CH4和N2O。從這個(gè)角度來講，活性污泥法顯然是不可持續(xù)的。

據(jù)統(tǒng)計(jì)，污水中蘊(yùn)含著大量的隱形財(cái)富，其處理過程中所產(chǎn)生的化學(xué)能源可達(dá)用于處理污水所消耗能源的10倍之多。調(diào)查人員發(fā)現(xiàn)，截至目前，從剩余污泥的厭氧消化過程中或從微生物燃料電池中回收的能量，明顯低于污水中實(shí)際包含的化學(xué)能源。因此，將來從污水中回收能源的可持續(xù)策略，不僅能減少我們對于化石燃料的依賴，還能滿足人們對于日常資源的需求，如塑料和肥料。所以，盡管污水中的有機(jī)成分與無機(jī)成分的組成依賴于進(jìn)水狀況(城市污水或工業(yè)廢水)，具有隨機(jī)性，但我們切不能掉以輕心，浪費(fèi)可觀的可回收資源�；谶@個(gè)角度，本文引入了“污水生物煉制列”的理念，該理念是將不同生態(tài)位工程運(yùn)用到未來污水處理工藝中，使不同微生物產(chǎn)生不同針對性的富集，同時(shí)還可以對能源和資源進(jìn)行綜合回收。

當(dāng)前：基于活性污泥法的微生物和生物化學(xué)認(rèn)識

長期以來，由于污水處理過程中的微生物群落結(jié)構(gòu)與功能在很大程度上不為人所知，一直被視作“黑箱”。對于污泥中的微生物，早期研究大多數(shù)包括經(jīng)典的分離法和利用光學(xué)顯微鏡對特定細(xì)菌群體進(jìn)行形態(tài)鑒定(如絲狀菌)。運(yùn)用經(jīng)典微生物培養(yǎng)技術(shù)，發(fā)現(xiàn)不動(dòng)桿菌屬(Acinetobacter spp.)有可能與磷的去除有關(guān)，亞硝化螺菌屬(Nitrosospira spp.)被認(rèn)為是關(guān)鍵的氨氧化菌，硝化桿菌屬(Nitrobacter spp.)是最主要的亞硝化菌，生絲微菌菌屬(Hyphomicrobium spp.)是關(guān)鍵的反硝化細(xì)菌。

過去幾十年，經(jīng)過對16S rRNA 基因序列檢索的深度研究，已排除不動(dòng)桿菌屬是除磷過程的主要參與者。截至目前，一種屬于β變形桿菌(Beta-proteobacteria)、未能進(jìn)行純培養(yǎng)和分類的菌屬，稱作Candidatus Accumulibacter phosphatis (CAp)，在實(shí)驗(yàn)室規(guī)模和實(shí)際污水處理廠規(guī)模的反應(yīng)器中，已經(jīng)被證實(shí)是一種主要的聚磷菌(PAO)。不僅如此，隨后的分子生物學(xué)研究也證實(shí)，聚糖菌(GAO)是Cap在污泥厭氧/好氧循環(huán)過程中的主要競爭對手。其中包括一種屬于γ變形桿菌(Gamma-proteobacteria)新型的菌種，叫做Candidatus Competibacter phosphates ，還有屬于α變形桿菌(Alpha-proteobacteria)的其他菌種。

至于氮素的循環(huán)過程，利用分子生物學(xué)方法已經(jīng)確定新的“參與者”，包括不同類型的氨氧化菌，硝化螺狀的微生物作為主要的亞硝化菌;水生螺菌屬(Aquaspirillum)、 固氮弧菌屬(Azoarcus)、索氏菌屬(Thauera)和聚磷菌(如CAp)為主要的反硝化菌。最近，研究者又發(fā)現(xiàn)屬于齊古菌門(Thaumarchaeota)的古細(xì)菌也對于好氧氨氧化具有催化作用。在實(shí)際污水處理過程中，氮素循環(huán)的過程會(huì)更加復(fù)雜，如已證實(shí)能進(jìn)行厭氧氨氧化。這些生物屬于浮霉?fàn)罹T(Planctomycetes)，并被暫時(shí)命名為“Candidatus Kuenenia stuttgartiensis”

近年來，學(xué)者們在污水生物處理過程中微生物的生理生態(tài)學(xué)方面做了大量研究，發(fā)現(xiàn)采用熒光原位雜交法外加顯微放射自顯影技術(shù)(MAR—FISH)能使特定微生物直接可視化，并能將碳、氮和磷等基質(zhì)的轉(zhuǎn)化聯(lián)系起來。利用MAR—FISH能研究PAOs和GAOs關(guān)于碳源的競爭，還能制定模型。在厭氧狀態(tài)下，PAOs吸收有機(jī)碳源(如揮發(fā)性脂肪酸)，并將其以聚羥基脂肪酸(PHAs)形式存儲(chǔ)起來。當(dāng)處于有氧條件下時(shí)，PAOs氧化PHAs，所獲能量供給聚磷酸鹽的吸收積累，使得磷元素通過回流污泥從污水中除去。在厭氧條件下，GAOs和GPOs競爭揮發(fā)性脂肪酸用于PHA的合成，而且在好氧的條件下GAOs并不積累聚磷酸鹽，而是將能量用于糖類的積累。通過MAR—FISH法和染色法，證實(shí)了細(xì)胞內(nèi)PHA或者聚磷酸鹽的積累就是聚合物存儲(chǔ)或循環(huán)的過程。其他運(yùn)用MAR—FISH的研究則論證了聚脂菌(LAOs)生態(tài)學(xué)的潛能，例如微絲菌屬(Candidatus Microthrix parvicella)能夠在厭氧的條件下吸收并存儲(chǔ)脂類物質(zhì)，同時(shí)強(qiáng)調(diào)了此類絲狀菌相對于其他菌種的優(yōu)勢，即其他菌種不能在厭氧條件下吸收脂類。

值得注意的是，高分辨率的分子生物學(xué)方法的進(jìn)步，即所謂的宏基因組學(xué)，允許在微生物群落的構(gòu)成與功能之間繪制具體的聯(lián)系。例如，通過識別控制梯形烷合成的基因、確定Candidatus Kuenenia stuttgartiensis中聯(lián)氨的新陳代謝，宏基因組學(xué)研究能揭示出一些神秘的微生物表型性狀。在實(shí)際污水生物處理廠所進(jìn)行的宏基因組學(xué)研究，強(qiáng)調(diào)關(guān)鍵物種參考基因的需要，以通過最新實(shí)驗(yàn)室研究來解釋實(shí)際數(shù)據(jù)。在這種情況下，宏基因組或單個(gè)細(xì)胞基因序列數(shù)據(jù)，可以有效地用來推測有益菌種的基質(zhì)配方和生長狀況。

宏基因組學(xué)的研究很大程度上促進(jìn)了我們對于有益菌種群體功能的了解，比如宏蛋白質(zhì)組學(xué)、環(huán)境轉(zhuǎn)錄組學(xué)以及二者之間的聯(lián)系，使得我們對不同環(huán)境條件下(如好氧/厭氧階段)關(guān)鍵過程中的相關(guān)基因的具體表現(xiàn)形式有了進(jìn)一步的了解。因此，在時(shí)間和空間上整合“生物組學(xué)”，并與物理化學(xué)參數(shù)相結(jié)合，便可重新構(gòu)建與界定生態(tài)網(wǎng)絡(luò)和有機(jī)生態(tài)位。這些信息可能是鑒別微生物群體結(jié)構(gòu)與功能的關(guān)鍵的決定性因素，可以用于從污水中進(jìn)行綜合的能源和資源回收。

未來：利用污水中微生物回收能源和資源

如今，我們已經(jīng)能夠鑒別出大量的微生物群落，并從多組學(xué)的分析研究中，獲得了前所未有的數(shù)據(jù)。在活性污泥法一百年之際，尋求一種新的生物污水處理法顯然已經(jīng)時(shí)機(jī)成熟。因此，我們可以開始考慮自下而上的設(shè)計(jì)方法，而不是像目前這樣分步的自上而下的方法。

在這里，我們特地引進(jìn)了“污水生物煉制列”的概念。依據(jù)一種假定的自下而上的設(shè)計(jì)方法，看看在環(huán)境發(fā)生的變化時(shí)候，微生物是怎樣轉(zhuǎn)化并積累成不同類型的有益化合物的。所以，這種特定的生態(tài)位工程能幫助我們從污水中大量回收高價(jià)值資源。我們可以通過以下途徑，來實(shí)現(xiàn)這種生態(tài)位工程：(1)污水中建立不同的基質(zhì)梯度，以此拓寬個(gè)體生態(tài)位;利用微生物不同的沉降速度來實(shí)現(xiàn)其垂直分布，沉降速度與微生物/絮體的大小以及胞內(nèi)存儲(chǔ)化合物有關(guān);回收微生物中的能源和營養(yǎng)物質(zhì)�？茖W(xué)家過去在實(shí)驗(yàn)室規(guī)模的反應(yīng)器中，已經(jīng)獲得了此類有益菌種的富集體，尤其是PAOs和GAOs，通過給予合適的環(huán)境條件，可以增加富集這些菌種的可能性。隨著宏基因組學(xué)的不斷進(jìn)步，我們能夠更加精確地定義各種菌種的生態(tài)位，從而使這些菌種能應(yīng)用到未來的循環(huán)系統(tǒng)中�？紤]到污水構(gòu)成的多樣性和動(dòng)態(tài)性，生態(tài)位可能還需要不斷的調(diào)整。微生物燃料電池可以用作生物傳感器，生態(tài)位可以通過它的反饋來進(jìn)行微調(diào)，從而可以對進(jìn)水有機(jī)物和無機(jī)物構(gòu)成進(jìn)行連續(xù)的檢測。

對當(dāng)前可再生能源的探索中，作為一種潛在的方案，生物柴油有望部分替代石油燃料。當(dāng)下，生物柴油生產(chǎn)成本與相關(guān)的原料成本占到了85%。而污水中可皂化的油脂很容易轉(zhuǎn)化為生物柴油，因此，污水中蘊(yùn)含的物質(zhì)可與生物能源直接相關(guān)。在城市污水中，油脂類可以占到總有機(jī)碳的41%，其中絕大多數(shù)是三酰甘油酯(TAG)，小部分是游離的長鏈脂肪酸。需要特別注意的是，污泥中這些長鏈脂肪酸的組成范圍主要在C14到C18之間，這是生產(chǎn)甲酯理想的環(huán)境。由于疏水性，污水中脂類物質(zhì)通常吸附在顆粒上，并且不易提取。然而，LAOs釋放胞外脂肪酶可將脂類水解，水解產(chǎn)物能被細(xì)菌高效同化。根據(jù)本文的“污水生物煉制列”的概念，絲狀聚酯菌的生物量在頂部積累。鑒于絲狀菌對脂質(zhì)的高度累積，以及生物柴油能從聚脂菌中直接產(chǎn)出，同時(shí)經(jīng)濟(jì)上可行，因而從污水中提取生物柴油擁有巨大的潛力。令人關(guān)注的是，在生物柴油生產(chǎn)過程中，TAG的副產(chǎn)物——甘油可以進(jìn)一步被利用合成PHA，從而實(shí)現(xiàn)污水中TAG的完全和高效利用。

PHA的合成發(fā)生在活性污泥的微生物中。來自污水的PHAs在工業(yè)上可用于合成可降解的、與化學(xué)合成聚丙烯有相似的熱力學(xué)性能的生物塑料。此外，PHAs可在酸的催化作用下，水解為生物燃料羥基丁酸甲酯(hydroxybutyrate methyl ester)。所以，來自污水的PHAs可作為一種可再生資源用于塑料生產(chǎn)，整個(gè)PHA生產(chǎn)鏈條的資源耗費(fèi)僅占總生產(chǎn)成本的50%。PHAs的微生物積累非常迅速(約5小時(shí))和顯著。由于PAOs和GAOs能在厭氧/好氧條件下交互合成PHAs，在一定的環(huán)境條件下，針對性的對一些菌種富集可將PHA連同發(fā)酵產(chǎn)物和磷酸鹽或糖元一起回收。污水處理廠中PAOs能占到總細(xì)菌生物量35%，實(shí)驗(yàn)室研究表明，由于PAOs與GAOs有著不同的細(xì)胞密度，前者有著更快的沉降速率。利用這些屬性分離這兩類微生物，就可以實(shí)現(xiàn)針對性的資源回收。由此，我們也可以預(yù)期，通過建立密度梯度，如操縱沉降時(shí)間，GAOs將會(huì)占據(jù)“污水生物煉制列”中間層，PAOs將會(huì)占據(jù)下層。

盡管污水處理廠對發(fā)酵細(xì)菌的研究較少，但不能忽視的事實(shí)是發(fā)酵細(xì)菌有助于復(fù)雜的高分子化合物水解為低分子量的底物，進(jìn)而為其他微生物提供能源和碳素。發(fā)酵細(xì)菌的分解產(chǎn)物有丙酸、乳酸、乙酸和甲酸等。令人關(guān)注的是，運(yùn)用發(fā)酵處理生產(chǎn)酒精或有機(jī)酸的過程可以和生物柴油、生物塑料的生產(chǎn)過程相結(jié)合——因?yàn)閮蓚�(gè)過程都需要有機(jī)溶劑。最重要的是，從GAO中獲取的糖原也可以用于合成一種重要生物燃料——生物乙醇。

利用從污水中回收的營養(yǎng)物質(zhì)(主要為N和P)生產(chǎn)的再生化肥，目前已占到當(dāng)前農(nóng)業(yè)化肥總需求量的30%。一項(xiàng)全球性的估計(jì)表明，化肥生產(chǎn)消耗了世界能源的1.2%(其中92.5%用于N和3%用于P)，約占人為溫室氣體總排放量的1.2%。所以，我們要是將富含PAO的污泥用作肥料，具有巨大的潛力。不過，將污泥用于農(nóng)業(yè)肥料的一個(gè)主要限制因素就是其中重金屬的含量。然而，越來越多的證據(jù)表明，吸附劑(如礦渣)有著較高的重金屬吸附能力，可以為含重金屬污水提供了一種廉價(jià)的處理方案。

除了富含PAO的污泥，污水處理廠常見的礦物沉淀——磷酸銨鎂(MgNH4PO4•6H20)，也是一種商業(yè)化生產(chǎn)的化肥。估計(jì)表明，在污水處理廠內(nèi)，100m3的污水可以生產(chǎn)1kg的磷酸銨鎂。磷酸銨鎂溶解度低，富含N元素和P元素，這使得它具有用作化肥的優(yōu)勢，同時(shí)它能減少營養(yǎng)物的流失和限制水體的富營養(yǎng)化。污水低濃度的懸浮固體和高濃度的氨和磷酸鹽可以促進(jìn)磷酸銨鎂的合成。因此，通過維持污水的高離子水平同時(shí)不斷回收生物量組分(例如從不斷增長種群回收)來加快磷酸銨鎂的生產(chǎn)，這將是“污水生物煉制列”中另一個(gè)可實(shí)現(xiàn)的目標(biāo)。

在N素回收用作化肥生產(chǎn)的背景下，聚硝酸鹽菌(能生長在各種不同生態(tài)環(huán)境)或許也能有助于N素的利用。截至目前，盡管現(xiàn)有的研究尚未描述活性污泥工藝中硝酸鹽的積累過程，但可將其看作化肥生產(chǎn)的一個(gè)顯著氮源。在基于活性污泥工藝的污水處理廠內(nèi)，選擇性的富集策略可以鑒別積累硝酸鹽的微生物。

在過去的幾十年里，越來越多的環(huán)境問題引發(fā)了世人對于資源問題的新策略制定與思考完善，即在活性污泥工藝基礎(chǔ)上，從污水中回收能源與營養(yǎng)物質(zhì)。然而，截至目前，能源和營養(yǎng)物質(zhì)的回收量仍較為有限。本文所提出的“污水生物煉制列”概念，若能最大化地運(yùn)用現(xiàn)有的和未來的可能有的信息(微生物和它們的代謝類型基因技術(shù)研究)，則可以實(shí)現(xiàn)生物能源、生物塑料、化肥的可持續(xù)生產(chǎn)。為了實(shí)現(xiàn)這個(gè)目標(biāo)，我們首先應(yīng)該詳細(xì)了解生物群落組成中，各類微生物的生態(tài)位信息。一旦獲得這些信息，參考它們各自的生態(tài)位，就可以以一種自下而上的設(shè)計(jì)方法(重新)優(yōu)化污水處理流程，而不是以目前這種自上而下的策略在活性污泥發(fā)現(xiàn)一百年之際，本設(shè)想對于微生物生態(tài)學(xué)家和工程師來說是一項(xiàng)巨大的挑戰(zhàn)。為了實(shí)現(xiàn)這一設(shè)想，我們還有很長的路要走。

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