学术回溯 | 污水物处理系统中微生物内源过程
编者按：以去除有机碳、脱氮除磷为目的的污水生物处理系统（BWTSs）是大多数新建和改建污水处理厂的技术主流。然而，我们对微生物学过程理解与工程学现实之间仍然存在认识差距。其中，较为突出的是对内源过程定义的明确和理解。基于此，本文将BWTSs内源过程分为细胞水平和群落水平，回顾诸如解耦联、程序性细胞死亡（PCD）、饥饿、病毒感染和捕食等过程，以及测定BWTSs中细菌维持能量和衰减速率的研究进展。在此基础上，提出对内源过程的进一步研究，以期加深对BWTSs中微生物内源过程的全面认识，从根本上获得有效提高处理效率的技术策略，从而实现污水生物处理可持续发展。本文发表于Critical Reviews in Environmental Science and Technology（2010年3月）。
整理 | 马彦
责编 | 郝晓地
文章亮点
梳理BWTSs中微生物内源过程定义和相关机制，并从细胞水平和群落水平两个层面分析与讨论。
细胞维持是活体细胞所必须的一项生命活动，其所需能量必须被优先满足。
细胞衰减主要因素包含饥饿、病毒感染和高等微生物捕食。BWTSs中细菌死亡可能以PCD方式进行，且后者可能是细胞衰减的潜在因素。
BWTSs中物质惰性与反应器及处理工艺有关。
原文信息：Hao, X.D., Wang, Q.L., et al. Microbiological Endogenous Processes in Biological Wastewater Treatment Systems. Critical Reviews in Environmental Science and Technology 40. 3 (2010): 239-265.
内源过程
在BWTSs中，细菌是微生物生态的核心，污水生物处理系统中细菌主要有五个大类：硝化细菌（包括氨氮氧化细菌，AOB；亚硝酸氮氧化细菌，NOB）、聚磷菌（PAOs）、聚糖原菌（GAOs）、常规异养菌（OHOs）。同时，在系统内还存在着许多病毒和高等微生物（多数为原生动物，少数为后生动物），所有这些微生物在污水生物处理系统内组成了相对稳定的微生物群落。所谓污水生物处理系统内源过程指的是系统中细菌内部代谢过程以及它们之间相互作用过程，包括细胞维持、细胞死亡和溶解、隐性生长、原生和后生动物捕食等方面，可分为细胞水平和群落水平两个层次分析：
图1 BWTSs中内源过程
1、细胞水平
1.1 细胞维持
细胞维持是指微生物需要一定能量来维持正常生命状态，如，细胞运动、离子梯度维持、关键蛋白质和核酸更新以及物质运输等。细胞维持是生物体生命活动中最基本要求之一，因而细胞维持所需能量必须优先被满足。
1.2 细胞维持特点
随着内源代谢研究不断深入，研究人员发现，一些菌种在底物相对丰富状态下其维持能量需求升高，且随着生长速率变化而变化。这与早前的认识大相径庭，并促使其相关描述模型被修正，如公式（1）所示（其中，m1为恒定维持系数项，与生长速率无关；m’为与生长速率相关的维持系数项）。
研究指出，细胞合成代谢和分解代谢并不一定始终紧密耦联，在底物相对丰富状态下会产生能量泄漏（解耦联现象）。这一部分能量不依赖于细胞生长与维持，并通过中间产物分泌、代谢路径转移以及无效耗能循环等途径散失，如图2b所示。其中，解耦联过程能够提高细菌同某些营养物的亲和性并增加对这些离子的跨膜运输能力，使细胞保持高代谢通量，从而提高生长竞争优势。
图 2 底物相对匮乏和相对丰富状态的细胞代谢过程
（a. 在底物相对匮乏状态下细菌可能利用胞内聚合物产生能量；b. 在底物相对丰富状态下可能会发生解偶联现象）
然而，由于进水水质周期性变化以及反应器内底物浓度梯度等原因，BWTSs中的细菌通常处于底物丰富/匮乏（feast/famine）交替生存状态。在这一情况下，某些细菌（如，PAOs）将会产生聚羟基丁酸（PHB）和糖原等胞内聚合物。如，OHOs在底物丰富阶段时利用外源底物实现细胞生长、维持和胞内聚合物合成；当底物匮乏时，OHOs则分解胞内贮存胞内聚合物，用以提供细胞维持能量和实现细胞生长。其中，PAOs代谢及细胞维持过程则较为复杂，它必须生存在厌氧/好氧或厌氧/缺氧交替出现的动态环境下，以实现磷的释放和过量摄取，从而达到除磷的目的。GAOs与PAOs相似，但其在厌氧状态下通过胞内糖原分解提供能量，在好氧/缺氧状态下通过胞内PHB分解供能，且不具备除磷能力。
对于AOB和NOB而言，与上述异养细菌不同。前者无法形成胞内聚合物以储存能量，且其能源底物（底物丰富阶段通过NH4+-N或NO2--N氧化分解供能）与碳源底物相互分开。因而，在底物匮乏阶段，AOB和NOB不得不面对一段时间的饥饿过程。
1.3 细胞维持能量的测定
迄今为止，研究人员提出了多种测定细胞维持能量的方法，如，基于Pirt理论的恒化器（Chemostat）测定法、膜生物反应器（MBR）法、基于Gibbs能量的产率系数计算方法等。表1列出了部分参考文献对BWTSs内细菌细胞维持能量的测定结果。
其中，细菌的细胞维持能量似乎只受温度影响，且随着温度升高而显著增大。并且由于BWTSs中随低生长速率而来的紧迫反应和低活菌占比其中，细菌细胞维持能量要恒化器中的要低。此外，由于不同细菌利用底物与电子受体不同，代谢过程中产能效率亦不相同，因而在维持能量相当情况下，底物利用速率不同。
2、群落水平
2.1 细胞衰减
细胞衰减是指能够使生物体总量减少或导致生物体活性降低的过程。其中，由细胞内在因素引起的衰减叫做内衰减，而由细胞外各种因素引起的衰减叫做外衰减。细胞衰减直接关系到BWTSs内生物量多。因此，对系统稳定性以及总处理能力影响更加显著。BWTSs内能够引起细胞衰减的因素主要有饥饿、病毒感染和高等微生物捕食 3个方面。
在饥饿（长时间底物匮乏）条件下，细菌不得不通过氧化、分解自身细胞以供给细胞维持所需能量，即，生物体负增长/内源呼吸过程。显然，对于单个细胞而言，过度的自身氧化将导致细胞衰减现象。
此外，BWTSs中亦存在一定量病毒。这将不可避免地导致细菌感染、失活，乃至死亡。
事实上，包括上述二者所导致的死亡过程都可能以程序化细胞死亡（Programmed Cell Death，PCD）进行。在这一过程中，细胞死亡由基因控制，且在细菌细胞之间存在交流。在某些情况下一部分细菌会主动选择死亡，以确保其它的细菌细胞能够在不利环境中存活下来。这可能是BWTSs中细菌衰减的潜在因素。
2.2 衰减速率
准确地了解衰减率对于BWTS工艺设计和操作优化是必要的。衰减速率一般测定和表征方法包括：测量饥饿条件下污泥耗氧速率（OUR）和底物消耗速率。其中，后者测定可以消除OHOs的影响。
然而，上述方法亦存在不确定因素。如，采用几天甚至几周饥饿期与实际BWTSs内的真实情况不同，且在长时间饥饿期后细菌可能会主动调整其生理状态以适应饥饿环境。这会使得测定结果比实际要高。因而，一些生物分子技术，如，FISH和化学荧光染色技术以及光谱分析，或许可以更好地有效测定衰减速率。然而，低效问题可能会限制其广泛应用。在这种情况下，基于测量DNA损失的方法似乎更实用。此外，实际BWTSs一般是推流式的连续系统，这也与测定时使用的间歇式反应器环境不同。因此，原位衰减速率（In-site Decay Rate）测定亦被提出。
2.3 捕食
在BWTSs中存活有相当数量的高等微生物（如，原生动物、后生动物），通过捕食细菌来实现自身维持与生长。因此，捕食过程对BWTSs中微生物总量具有显著影响。若控制得当，捕食可以显著减少生物量，从而减少污泥量。然而，过度捕食将会影响正常的微生物活动。正因如此，有效测定BWTSs中高等微生物的活性和捕食速率显得尤为重要。
2.4 惰性材料
惰性物质是指BWTSs中不可生物降解的有机物质，其来源于进水和内源过程。
在内源过程中，惰性物质一方面产生于PCD过程，另一方面产生于高等微生物捕食过程。前者主要以细胞自溶体降解后残留的不可生物降解部分存在，后者以高等微生物捕食细菌后剩余的残渣形式存在。
值得注意的是，在BTWSs中由于运行条件的不同（如，SRT等），一些缓慢降解的有机物或一些仅可被某些长SRT微生物降解的有机物会被认为是惰性物质。因此，物质惰性与反应器及处理工艺有关，物质的惰性程度很大程度上取决于BWTSs工艺条件。
2.5 饥饿状态
在BTWSs中，细菌通常需要面对底物丰盛/匮乏生长状态。在长时间底物匮乏条件下，细菌会进入到饥饿状态，并通过氧化自身细胞组织来获得能量，以维持生命活动，甚至会导致PCD，引起生物量和活性降低，从而降低BWTSs处理能力。因此，对饥饿条件下的微生物活动进行深入了解，有助于为BWTSs稳定运行提供有力指导。
据研究，细菌能够通过生理学和形态学上的改变来应对饥饿状态（即，紧迫反应），如，降低细胞维持能量需求和自身氧化速率，缩小细胞体积，延缓PCD过程。且不同菌种对饥饿条件的生理反应具有差异。例如，OHOs能够在饥饿2~8 d后数小时内迅速达到最大生长速率；PAOs在好氧饥饿条件下会依次分解胞内PHB、糖原和聚磷酸盐用以供能，会影响除磷效果；AOB和NOB在饥饿后将需要大量时间才能恢复活性。
此外，一些细菌在饥饿状态下可能会暂时失去繁殖能力，即“生存但不可繁殖”（Viable But Non-Culturable，VBNC）现象。这主要会对一些常规以培养为基础的计数方法精确性造成影响。
结论
BWTSs中内源过程主要包括细胞维持、内源呼吸、细胞衰减、自溶、隐性生长、病毒感染以及高等微生物捕食等多个方面。
内源过程实质上是微生物内部代谢过程以及微生物之间相互作用的过程。具体可以分为两个层次：细胞水平和群落水平。
细胞维持是活体细胞所必须的一项生命活动，其所需能量必须被优先满足。细菌维持所需能量仅受温度影响，且在固定温度下不变。与在恒化器中纯培养的细菌相比，BWTSs中细菌的维持能量相对较低。解耦联现象无法在BWTSs中自动发生，且底物可完全用于细胞维持和生长。
细胞衰减是指那些能够引起生物体总量减少或生物体活性降低的过程。在BWTSs中，其主要因素包含饥饿、病毒感染和高等微生物捕食。BWTSs中细菌死亡可能以PCD方式进行，且后者可能是细胞衰减的潜在因素。
病毒感染和捕食对BWTSs中细菌衰减速率具有显著影响，相关测定方法有待研究。
BWTSs中物质惰性与反应器及处理工艺有关，物质的惰性程度很大程度上取决于BWTSs的工艺条件。
不同菌种应对饥饿状态的策略不同。
