活性污泥法及其衍生改良工藝是市政污水和工業(yè)廢水凈化處理的主流技術(shù)，動(dòng)膠菌等微生物是構(gòu)成活性污泥中菌膠團(tuán)的主要成分。污泥菌膠團(tuán)可通過(guò)重力沉淀下來(lái)，實(shí)現(xiàn)泥和水的分離，凈化后清水經(jīng)消毒處理即可排出，無(wú)需過(guò)濾?；钚晕勰嘀械奈⑸锢闷貧馓峁┑难鯕?，迅速地將溶解在污水中的污染物質(zhì)降解或轉(zhuǎn)化，為己所用，從而實(shí)現(xiàn)污水的快速高效凈化。在自然界需要4~6個(gè)星期才能完成的凈化過(guò)程，在污水處理廠依靠活性污泥菌膠團(tuán)只需4~6個(gè)小時(shí)即可完成。

菌膠團(tuán)的形成是活性污泥法成功的關(guān)鍵。菌膠團(tuán)形成菌及其產(chǎn)生的膠質(zhì)狀胞外多聚物(簡(jiǎn)稱EPS)是菌膠團(tuán)形成所必需的“黏合劑”。EPS種類多樣、結(jié)構(gòu)復(fù)雜。然而，活性污泥也容易發(fā)生“膨脹”，漂浮在水面，不能通過(guò)重力沉降下來(lái)，隨出水流失，影響出水水質(zhì)和凈化效果?；钚晕勰嗯蛎洑w因于絲狀菌的過(guò)量生長(zhǎng)(稱為絲狀菌膨脹)和菌膠團(tuán)形成菌EPS過(guò)量合成(粘性膨脹)。

中國(guó)科學(xué)院水生生物研究所研究員邱東茹帶領(lǐng)的團(tuán)隊(duì)開(kāi)展了對(duì)微生物菌膠團(tuán)形成的分子機(jī)制研究。他們分別從武漢和香港的城市污水處理廠分離得到喜樹(shù)脂動(dòng)膠菌(Zoogloea resiniphila)，進(jìn)行了基因組測(cè)序和分析，揭示了這一活性污泥優(yōu)勢(shì)細(xì)菌屬的碳、氮和磷代謝的一些特點(diǎn)，通過(guò)分子遺傳學(xué)分析，鑒定了與菌膠團(tuán)形成相關(guān)的一個(gè)大型基因簇，發(fā)現(xiàn)其中兩個(gè)編碼天冬酰胺合成酶的旁系同源基因在菌膠團(tuán)形成過(guò)程中具有重要功能。結(jié)合前人和國(guó)內(nèi)外同行研究成果，他們提出了活性污泥法的新概念模型(An et al., 2016. Water Research 102: 494-504)。

最近，該團(tuán)隊(duì)以從湖北某自來(lái)水廠水井中分離純化的菌膠團(tuán)形成菌——解叔丁醇水居菌(Aquincolatertiaricarbonis)RN12菌株為研究材料，鑒定了與菌膠團(tuán)形成相關(guān)的大型EPS基因簇、sigma因子RpoN1(σ54)等基因，確定RpoN1是菌膠團(tuán)形成的主要調(diào)控基因之一。有趣的是，該基因插入突變株中所合成的大量胞外多糖被分泌和溶解到培養(yǎng)基中，不能包裹細(xì)菌細(xì)胞群形成菌膠團(tuán)。分析發(fā)現(xiàn)RpoN1并不影響胞外多糖合成基因的轉(zhuǎn)錄，說(shuō)明RpoN1所調(diào)控的基因在表達(dá)后通過(guò)某種機(jī)制使胞外多糖鏈緊密地結(jié)合在細(xì)菌群體的表面以形成菌膠團(tuán)，而不是直接調(diào)控EPS的合成。RN12菌株具有rpoN1、rpoN2、rpoN3和rpoN4 等四個(gè)旁系同源基因，但只有RpoN1能調(diào)控菌膠團(tuán)的形成，并且調(diào)節(jié)該菌株的群集運(yùn)動(dòng)(Swarming motility)和生物被膜形成(Biofilm formation)。

這一研究工作以RpoN (σ54) is required for floc formation but not for extracellular polysacidebiosynthesis in a floc-formingAquincolatertiaricarbonis strain 為題已于5月12日在線發(fā)表在美國(guó)微生物學(xué)會(huì)期刊《應(yīng)用與環(huán)境微生物學(xué)》(Applied and Environmental Microbiology)上。

這些科學(xué)發(fā)現(xiàn)為揭示活性污泥微生物菌膠團(tuán)形成機(jī)理和脫氮除磷工藝作用原理打下了良好的基礎(chǔ)，對(duì)活性污泥膨脹的控制、剩余污泥減量和資源化利用等新技術(shù)開(kāi)發(fā)具有參考意義。

圖1 從武漢市江夏污水處理廠活性污泥中分離的喜樹(shù)脂動(dòng)膠菌顯微鏡照片(左圖放大200倍;右圖放大600倍;An et al., 2016)

圖2 活性污泥菌膠團(tuán)形成機(jī)制和活性污泥法原理示意圖

圖3 野生型菌株RN12(A)和菌膠團(tuán)缺失突變株(B)顯微觀察(放大1000倍，標(biāo)尺為10微米)

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