Abdul R. Sheik, Emilie E. L. Muller and Paul Wilmes
翻譯 | 黃冬
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，若能最大化地運用到現(xiàn)有的和未來可能有的信息中，則可以實現(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水中的有機質(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行，包括進一步的除磷、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，該過程同時還會產(chǎn)生潛在的溫室氣體，如CH4和N2O。從這個角度來講，活性污泥法顯然是不可持續(xù)的。
據(jù)統(tǒng)計，污水中蘊含著大量的隱形財富，其處理過程中所產(chǎn)生的化學能源可達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，明顯低于污水中實際包含的化學能源。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，盡管污水中的有機成分與無機成分的組成依賴于進水狀況（城市污水或工業(yè)廢水），具有隨機性，但我們切不能掉以輕心，浪費可觀的可回收資源�；谶@個角度，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，同時還可以對能源和資源進行綜合回收。
當前：基于活性污泥法的微生物和生物化學認識
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顯微鏡對特定細菌群體進行形態(tài)鑒定（如絲狀菌）。運用經(jīng)典微生物培養(yǎng)技術(shù)，發(fā)現(xiàn)不動桿菌屬（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）、未能進行純培養(yǎng)和分類的菌屬，稱作Candidatus Accumulibacter phosphatis (CAp)，在實驗室規(guī)模和實際污水處理廠規(guī)模的反應(yīng)器中，已經(jīng)被證實是一種主要的聚磷菌（PAO）。不僅如此，隨后的分子生物學研究也證實，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）的古細菌也對于好氧氨氧化具有催化作用。在實際污水處理過程中，氮素循環(huán)的過程會更加復雜，如已證實能進行厭氧氨氧化。這些生物屬于浮霉狀菌門（Planctomycetes），并被暫時命名為“Candidatus Kuenenia stuttgartiensis”
近年來，學者們在污水生物處理過程中微生物的生理生態(tài)學方面做了大量研究，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)形式存儲起來。當處于有氧條件下時，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，證實了細胞內(nèi)PHA或者聚磷酸鹽的積累就是聚合物存儲或循環(huán)的過程。其他運用MAR—FISH的研究則論證了聚脂菌（LAOs）生態(tài)學的潛能，例如微絲菌屬（Candidatus Microthrix parvicella）能夠在厭氧的條件下吸收并存儲脂類物質(zhì)，同時強調(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方法的進步，即所謂的宏基因組學，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，宏基因組學研究能揭示出一些神秘的微生物表型性狀。在實際污水生物處理廠所進行的宏基因組學研究，強調(diào)關(guān)鍵物種參考基因的需要，以通過最新實驗室研究來解釋實際數(shù)據(jù)。在這種情況下，宏基因組或單個細胞基因序列數(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。
宏基因組學的研究很大程度上促進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、環(huán)境轉(zhuǎn)錄組學以及二者之間的聯(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)形式有了進一步的了解。因此，在時間和空間上整合“生物組學”，并與物理化學參數(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)時機成熟。因此，我們可以開始考慮自下而上的設(shè)計方法，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)計方法，看看在環(huán)境發(fā)生的變化時候，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值資源。我們可以通過以下途徑，來實現(xiàn)這種生態(tài)位工程：（1）污水中建立不同的基質(zhì)梯度，以此拓寬個體生態(tài)位；利用微生物不同的沉降速度來實現(xiàn)其垂直分布，沉降速度與微生物/絮體的大小以及胞內(nèi)存儲化合物有關(guān)；回收微生物中的能源和營養(yǎng)物質(zhì)。科學家過去在實驗室規(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。隨著宏基因組學的不斷進步，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。考慮到污水構(gòu)成的多樣性和動態(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行微調(diào)，從而可以對進水有機物和無機物構(gòu)成進行連續(xù)的檢測。
對當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，同時經(jīng)濟上可行，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——甘油可以進一步被利用合成PHA，從而實現(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、與化學合成聚丙烯有相似的熱力學性能的生物塑料。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PHA生產(chǎn)鏈條的資源耗費僅占總生產(chǎn)成本的50%。PHAs的微生物積累非常迅速（約5小時）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能占到總細菌生物量35%，實驗室研究表明，由于PAOs與GAOs有著不同的細胞密度，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，就可以實現(xiàn)針對性的資源回收。由此，我們也可以預期，通過建立密度梯度，如操縱沉降時間，GAOs將會占據(jù)“污水生物煉制列”中間層，PAOs將會占據(jù)下層。
盡管污水處理廠對發(fā)酵細菌的研究較少，但不能忽視的事實是發(fā)酵細菌有助于復雜的高分子化合物水解為低分子量的底物，進而為其他微生物提供能源和碳素。發(fā)酵細菌的分解產(chǎn)物有丙酸、乳酸、乙酸和甲酸等。令人關(guān)注的是，運用發(fā)酵處理生產(chǎn)酒精或有機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——因為兩個過程都需要有機溶劑。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，目前已占到當前農(nóng)業(yè)化肥總需求量的30%。一項全球性的估計表明，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磷酸銨鎂的合成。因此，通過維持污水的高離子水平同時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”中另一個可實現(xiàn)的目標。
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），則可以實現(xiàn)生物能源、生物塑料、化肥的可持續(xù)生產(chǎn)。為了實現(xiàn)這個目標，我們首先應(yīng)該詳細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)學家和工程師來說是一項巨大的挑戰(zhàn)。為了實現(xiàn)這一設(shè)想，我們還有很長的路要走。
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