Bioresource Technology | 利用宏基因组，中山大学首次阐释微生物除磷的转化机制

氮 (N)、磷 (P) 是水生和陆地生态系统中维持植物和细菌生长的重要营养物质之一。然而，废水中 N、P 的含量过高会导致水体富营养化，进而发生有害水华。

由于在农业活动中大量使用化肥，过去几十年，自然环境中的磷含量显著增加。此外，不断增加的人类活动已经严重打乱了自然界的硫循环，如工业过程 (如炼油、造纸、食品加工、畜牧业、采矿业等) 排放的硫酸盐废水、在污水处理中使用含硫酸盐凝聚剂、在许多沿海城市 (如香港) 将海水用于工业冷却、厕所冲洗以致海水或高硫酸盐地下水排入下水道，导致污水中含有高达 500 mg/L 的硫酸盐。

在厌氧 - 缺氧条件下，硫酸盐可被还原为有毒的、具有腐蚀性并且带恶臭的硫化氢 (H2S 和 HS−)，从而破坏废水运输系统，抑制污水传统生物除磷 (CEBPR) 处理中的微生物反应过程。

这个问题在在很长的一段时间内都没有得到妥善解决，直到 Rubio-Rincon 等人在 2017 年发现，在传统的生物除磷系统中加入硫代谢微生物如 Thiothrix caldifontis 可以实现富硫酸盐废水中的磷的高效生物去除。

他们使用的是一种新型厌氧 / 缺氧反硝化硫循环强化生物除磷 (DS-EBPR) 系统，由于这种工艺依赖于生长较缓的硫酸盐还原菌 (SRB) 和硫氧化菌 (SOB) 之间的协同作用，因此产生的剩余污泥很少，但是之前的研究缺乏 DS-EBPR 系统关键功能细菌以及 C、N、P 和 S 生物转化之间的相互作用方面的解释。

2019 年 8 月国际权威期刊 Bioresource Technology (IF 6.7) 还专门就 DS-EBPR 的研究进展进行了综述，这种新工艺有望实现含硫酸盐废水的可持续处理。

2019 年 1 月中山大学 Hui Lu 团队发表文章在水处理领域顶级国际期刊 Water Research (IF 7.9) 上，题为：

Elucidating functional microorganisms and metabolic mechanisms in a novel engineered ecosystem integrating C, N, P and S biotransformation by metagenomics

该研究使用宏基因组学的方法填补了 DS-EBPR 系统中功能微生物在碳、氮、磷和硫的生物转化中的功能和相互作用的知识空缺，并建立了新的微生物群落生态模型。

图片来源：Water Research

Hui Lu 团队从稳定运行 400 多天的 DS-EBPR 系统中进行宏基因组学分析，该系统能够实现稳定的硫驱动的反硝化除磷，并组装出了 11 个接近完整的草图基因组（约占总微生物群落的 39.4%)，代表了五种类型的关键功能性细菌包括硫酸盐还原菌（Bin 1-4 和 Bin 5-6），硝酸盐还原硫氧化菌（Bin 7），绿硫细菌（Bins 8-9），反硝化细菌（Bin 10）和醋酸盐氧化菌（Bin 11）。

扩增子测序发现 DS-EBPR 系统中硫 / 硫化物氧化微生物占 7.1％，而硫酸盐 / 亚硫酸盐还原微生物的相对丰度为 22.8％。

在磷转化中，多磷酸激酶（ppk1）和外多磷酸酶（ppx）分别参与 Poly-P 的聚集和降解，系统发育分析发现在 DS-EBPR 系统中 ppk1 基因遍布于五个门中（Proteobacteria，Firmicutes，Chlorobi，Chloroflexi 和 Bacteroidetes）。此外，发现一些与硫转化相关的细菌富含 ppk1 基因，如 SOB（Thiobacillus 和 Chlorobium）和 SRB（Desulfobacter和 Geobacter），表明它们也在 Poly-P 聚集中起作用。

在氮转化中，分析发现 Bin 7 和 Bin 10 都编码从硝酸盐完全还原到氮气的关键酶。Bins 1-4 中存在硝酸还原酶，而 Bins 5-6 编码 NapA 能够还原 NO3- 形成 NO2-，而 Bins 1-4，5-6 和 11 编码亚硝酸还原酶 NrfA，Bins 7 和 10 中存在亚硝酸还原酶（NADH）可以异化还原亚硝酸盐为 NH4+。

在硫转化中，氧化硫化物的 dsrAB 基因主要出现在 Bin 7 和 Bins 8-9 中。Bin 7 和 Bins 8-9 的基因组还包含 Poly-S 形成的关键基因（sqr），以及硫化物氧化还原基因（dsrAB，aprAB 和 sat）。总的来说，DS-EBPR 系统能将硫 (S)、碳 (C)、氮 (N) 和磷 (P) 循环有机地结合起来，同时代谢或去除高盐污水中的 C、N 和 P 以防止富营养化的发生。

在处理后期，废水中大量的磷酸盐被用于合成 Poly-P 并沉淀，达到 7.5±0.3mg P/L 的净磷去除率。

(a) SBR 的运行周期，(b) 各运行周期乙酸盐、硝酸盐和硫酸盐的进水和出水浓度，(c) 和 (d) DS-EBPR 系统中关键化合物和相关化合物的循环变化。图片来源：Water Research

DS-EBPR 系统的生态模型

分析发现 DS-EBPR 系统中 S 循环是主要的电子载体之一，硫酸盐还原菌 (SRB) 和硫化物氧化菌 (SOB) 通过复杂的代谢过程促进 C、N、P 和 S 的转化及去除。

在厌氧条件下，乙酸盐的摄取、Poly-P 和糖原的水解与聚羟基烷酸酯 (PHA) 和多硫化物 (Poly-S) 和 / 或单质硫在细胞内的形成相关联。

而在缺氧条件下，磷会大量被摄取，并与 Poly-P 和糖原的形成、硫驱动的反硝化以及 PHA 和 Poly-S 的降解相关联硫转化率与 Poly-P 积累代谢之间存在协同作用。硫代谢相关细菌包括 SRB 和 SOB 对 C、N、P 和 S 的偶联十分重要。

从 DS-EBPR 群落的宏基因组数据组装的 11 个草图基因组的生态模型及其合作和竞争相互作用，图片来源：Water Research

在此模型中，与 C、N、P、S 相关的优势代表菌在 DS-EBPR 系统中发生了协同作用：醋酸盐被 SRB 和 SOB 在厌氧条件下吸收到细胞中，在细胞中形成碳储存聚合物并产生 CO2。

系统中的 SO42- 被 SRB 完全还原为 HS-/S2-，其中少量的 HS-/S2- 被 GSB 氧化并在周质中形成 Poly-S。它解释了为什么 DS-EBPR 反应器在厌氧条件下会积累 Poly-S。SRB 降解 Poly-P 并将 PO43- 释放到原液中。当乙酸盐完全消耗时，NO3- 作为电子受体被 SOB 使用以完全氧化 HS-/S2- 为 SO42-。剩下的 NO3- 则会被反硝化产生 N2 或者被细菌同化。GSB 进一步氧化 Poly-S 产生 SO42-，并固定 CO2。同时，微生物大量摄取 PO43- 以合成 Poly-P。

结语

Hui Lu 团队的研究为 DS-EBPR 系统在污水处理中的优化应用提供了污染物去除机理的依据，也拓宽了对地球上元素的生物化学循环的认识。

在群落生态中提出了 C、N、P 和 S 生物转化耦合的微生物生态学模型，这将有助于理解 SRB、SOB、脱氮细菌和磷积累细菌之间的相互作用。

提出的生态模型解释了该 DS-EBPR 反应器的有效性能，与反应器的性能数据相吻合，并阐释了 S 相关的 PAOs 之前不为人知的生态作用。

值得注意的是，该模型的提出是基于基因组的功能预测和群落环境中基因组的丰度差异，需要通过如宏转录组学和宏蛋白质组学来进一步的验证。

参考文献：

1. Gang Guo, George A. Ekama, Yayi Wang, Ji Dai, Basanta Kumar Biswal, Guanghao Chen, Di Wu, Advances in sulfur conversion-associated enhanced biological phosphorus removal in sulfate-rich wastewater treatment: A review, Bioresource Technology, Volume 285, 2019, 121303, ISSN 0960-8524.

2. Yan Zhang, Zheng-shuang Hua, Hui Lu, Adrian Oehmen, Jianhua Guo,Elucidating functional microorganisms and metabolic mechanisms in a novel engineered ecosystem integrating C, N, P and S biotransformation by metagenomics, Water Research, Volume 148, 2019, Pages 219-230, ISSN 0043-1354.