研究綜述 | 生物除磷：T菌作用大于A菌？
導言：強化生物除磷（EBPR）工藝被廣泛應用于污水脫氮除磷，其機理和相對于化學除磷工藝的優勢在此不再贅述，我們傳統認知均以Accumulibacter菌（A菌）作為主要的PAOs菌，生物除磷數學模擬技術也是以A菌的代謝作為PAOs代謝進行模擬。然而，一直以來生物除磷對運行條件的苛刻和除磷效果的不穩定促使對生物除磷的研究一直未停歇。現代分子生物學技術的進步使我們可從更深層次探究生物除磷的主角和機理，在此背景下，丹麥一研究團隊在丹麥的部分污水處理廠中發現Tetrasphaera菌（T菌）豐度遠遠大于A菌（35% vs 17%），且T菌具有吸磷-釋磷的特性。這再次引發了對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（相對于A菌的優勢）？T菌在生物除磷中的角色和能力到底如何？本文基于組內之前發表的文章，通過對T菌證實發現以及研究過程梳理，簡要介紹下T菌豐度、代謝途徑及活性影響因素方面的研究進展。
T菌發現.發展極簡史
對T菌的相關研究要比A菌晚得多，最早對T菌的研究報道可回溯至1994年，但是，對T菌的重要認知也僅僅是近十年的事情。從T菌整個發展過程來看，可大致分為三個階段：
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01 菌群鑒別與分類階段
1994年，Wagner等檢測到一類區別于A菌的聚磷微生物，最高可占到總生物量的36%，然而，當時對PAOs的研究主要集中于A菌，所以，此次發現并沒有引起過多的關注。隨后，不同地區學者均分離出了此類聚磷微生物的純種菌株，繼而在2000年，Maszanan等將發現的幾種不同菌株統一歸入并命名為Tetraspharea菌屬。截止目前，該菌屬包含三個分支共計7個菌株。隨后幾年時間，對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年對丹麥10座污水處理廠中最高檢測到了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態條件下（厭氧-好氧）證明了T菌的釋磷/吸磷特性，正式確認其是一種新的PAOs。
02 菌群豐度檢測及除磷能力辨析階段
在2007至2011年間，研究人員對T菌在不同國家和地區實際污水處理廠中豐度進行了大量監測，均檢測到了高豐度的T菌存在，同時，不同研究結果也再次證明了T菌具有的釋磷吸磷能力。需要強調的是，盡管期間部分研究強調T菌的“重要作用”、“重要功能”、“重新審視已有的EBPR模型”，但類似結論僅依靠T菌之高豐度或者異位培養純化實驗獲得，只能說明T菌擁有“這個能力”，仍不具有足夠的信服力表明T菌在實際生物池中發揮了這種能力。從彼時起，對T菌的研究遂開始日益增多，研究重點也轉移至對T菌生理及代謝路徑的探究。
03 生理學及代謝研究階段
2012年以后，對T菌代謝途徑的厘清成了探究的重點之一，尤其是與A菌代謝的異同，包括反硝化除磷能力、可利用的碳源類型、內聚物類型等，使我們對T菌的認識更加深入。在此階段需要特別介紹的是拉曼光譜技術的輔助應用，將其與FISH技術配合，使我們能夠原位區分T菌和A菌細胞中的內聚物量（Poly-P和糖原）。2019年，Fernando等引入拉曼光譜技術，對丹麥8個污水處理廠的生物除磷進行了原位分析，結果顯示T菌豐度在5個污水處理廠中相比A菌占優勢，在6個污水處理廠中除磷貢獻比高于A菌。屬首次實際污水處理廠內原位定量了T菌對系統磷去除的貢獻，第一次在實際污水處理環境下證明了T菌具有與A菌相當的除磷貢獻和能力。
T菌生理和代謝途徑
盡管目前關于T菌生理特性和代謝路徑還未被完全揭示、且目前有關其代謝路徑的報道仍存在矛盾，但T菌相對于A菌獨有的一些生理學特點逐漸明晰：1）T菌具有發酵能力，可以依靠發酵代謝進行細胞維持或增殖；2）實際污水處理廠中豐度最大T菌（T. elongata）在除磷代謝時無法合成PHA作為儲能物質；3）T菌可以利用氨基酸等碳源進行厭氧釋磷。這些生理學特點賦予了T菌更大的環境適應能力，可在不同的生態位得以生長繁殖。例如，T菌可吸收利用大分子有機物并降解為小分子物質排出胞外，不僅可以此維持自身代謝延續且發酵產物可供給其它異養細菌代謝利用（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菌已被證明無法合成PHA，這就帶來了構建T菌除磷代謝路徑的首要問題——PHA的替代內聚物是什么或者說是哪種內聚物代替PHA提供吸磷的能量供給呢？目前共有三種假說代謝模型，構建了T菌生物除磷的代謝路徑：1）糖原假說（圖1）；2）游離氨基酸假說（圖2）；3）發酵假說（圖3）。顧名思義，假說1認為是糖原代替了PHA的角色，在T菌除磷代謝中發揮了重要作用；然而，Fernando等無論在純種培養環境還是實際污水廠中，均未檢測到T菌胞內存在糖原，因此，糖原是否為T菌進行除磷代謝的內聚物仍待研究確認。除糖原外，游離氨基酸亦可能是T菌厭氧環境下的儲能內聚物。除此之外，由于T菌具有的發酵能力，假說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，可利用其進行發酵代謝，該代謝途徑產生的ATP可滿足糖原合成和細胞維持的需要，甚至富余推動對PO43-吸收，因此提出了T菌厭氧吸磷代謝模型（圖3），這一假說仍有待進一步探究。
對T菌代謝影響因素的研究能夠讓我們更好地了解T菌的生長增殖環境，以利于我們更好地控制其充分發揮除磷能力。從已有的文獻可知，對T菌影響較大的因素包括ORP、溫度和進水組分。ORP因素與A菌無異，一般認為厭氧段ORP是維持A菌與其它異養細菌對碳源競爭優勢及其除磷性能的關鍵因素，這同樣適用于T菌。但是，T菌對ORP的要求更高，一般認為只有該值低于-200 mV才適宜T菌生長繁殖。然而實際污水處理廠檢測到的高T菌豐度表明ORP對T菌的影響仍有待進一步確認。
已知的數據顯示，進水組分中工業廢水的比例越高，T菌的豐度越大。同時在丹麥等北歐地區，污水水溫處于10-20℃，T菌在當地具有高豐度。而澳洲和新加坡地區，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），盡管在高溫地區對T菌的檢測報道仍然較少，高溫似乎并不利于T菌的增殖；而對比有無工業廢水時的T菌豐度結果可知（不考慮斜線填充圓，因為這些點代表了S2EBPR檢測結果，而S2EBPR提供了T菌增殖的環境），進水有工業廢水時，T菌豐度確實有所提高。
結語
T菌作為“潛伏者”是新近發現的一類具有生物除磷功能的聚磷菌，其生理特性也引起了學者的極大興趣，且具有非常大的應用潛力。然而，基于上述的介紹我們可知，目前我們對T菌的認識并不十分確信和清楚，尤其是T菌的復雜和多面代謝路徑，這極有可能導致T菌既存在除磷的代謝路徑也存在不除磷的代謝路徑，而我們如很好地控制T菌充分完成除磷代謝則是我們努力的方向之一。
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