半岛新闻特稿 PNAS：用于改善污水处理的微生物

　　半岛新闻特稿 PNAS：用于改善污水处理的微生物微生物污水处理正在污水处理领域发光发热。在传统处理方法之上，研究人员正在利用经过精心设计、培养的细菌群落来改善污水处理工艺，并在这一过程中创造有价值的产品。

　　微生物污水处理正在污水处理领域发光发热。在传统处理方法之上，研究人员正在利用经过精心设计、培养的细菌群落来改善污水处理工艺，并在这一过程中创造有价值的产品。著名撰稿人Mitchell Waldrop于2021年8月10日在

　　期刊上发表题为《Microbes for better sewage treatment》的新闻特稿，总结了近几年哥伦比亚大学环境工程师Kartik Chandran、代尔夫特理工大学环境生物技术专家Mark van Loosdrecht等课题组在

　　微生物系统污水处理工艺上的研究和突破，探寻微生物污水处理的前世今生，为读者呈现了当前微生物系统-污水处理领域的前沿研究与实际应用，以及科学家们对微生物污水处理的未来展望

　　Kartik Chandran博士的实验室里四处可见通风橱，通风橱中摆放着不少外表浑浊的水箱。Chandran的实验小组都会从定期附近的某家自助餐厅向水箱中“补充”污水污泥、食物垃圾，且水箱里的微生物菌落会释放出丁酸，这是酸奶和腐臭黄油的“蒸馏精华”。这些水箱偶尔还会散发出硫化氢的气味，Chandran说“这气味会让你感觉麻木。”

　　图1. 现代污水处理厂。现代污水处理厂是微生物群落工程的第一次伟大胜利。在曝气池中（图右下），富含有机物的棕色水中不断冒出气泡，这为微生物提供了将固体消化成“活性污泥”所需要的氧气，这些污泥会沉入水池底部。然后，待处理的水又被送到澄清池（图中蓝色圆圈），去掉水中的剩余固体杂质。

　　但是Chandran，这位来自哥伦比亚大学的环境工程师说道，这种刺鼻的气味恰好表示水箱中的微生物正在发挥作用，即，彻底改变人类处理流入城市污水系统、农村化粪池和无数湖泊和河流中不可避免的物质的方式。

　　，”Chandran始终坚持他的这一观点。但如今的水处理厂通常采用“一刀切”的方式来处理这些污水，即将任何不是H

　　，然后排放到大气中；处理污泥也是类似的方式，这些污泥绝大部分会进入焚化炉或垃圾填埋场接受进一步处理。Chandran说，从微生物的角度来说，这些污水实际上可以称为“

　　”，它是一种碳、氮、磷化合物混合物，微生物可以将它转化为生物燃料、生物塑料、肥料以及许多其他有用的产品。

　　微生物通过化学途径来完成污水处理的壮举不禁让我们想起工业发酵。几千年来，富有智慧的人类使用微生物制造葡萄酒、酸奶、酸菜以及其他食品，但不同之处在于，Chandran并不作单一栽培，他构建的是一个生态位丰富的生态系统，这里面包含土壤、沟渠甚至污水厂中能找到的各种细菌、古生菌、原生动物，如此多样性赋予了Chandran的微生物群落优秀的化学加工能力，这种能力是任何一个有机体都无法单独完成的。“至少在理论上，微生物具有无限的潜力。而且现在，像我一样致力于微生物污水处理的世界各地的研究人员正努力引导这些微生物系统朝着有用的方向发展，将微生物的潜力转化为实际‘生产力’。”Chandran这样说。但这样的工作并非易举半岛.体育 (中国) 官方网站，微生物系统的实际部署面临着诸多

　　但即便如此，这些困难仍打不消科学家的研究热情，几乎每个研究微生物系统的实验室都和处理厂建立了合作伙伴关系，致力于将微生物技术应用于污水处理。自上世纪80年始就一直在亚利桑那州立大学研究微生物群落的环境工程师Bruce Rittmann说，微生物系统的某些优势引起了工厂的高度重视：“微生物在周围的自然环境中工作，不需要超高温或其他奇怪、危险的条件。它们可以生产有助于支付成本的、适销对路的产品半岛.体育 (中国) 官方网站。”最重要的是，他说，“它们的工作条件非常廉价。”

　　具有讽刺意味的是，现代污水处理厂实际上代表了微生物系统的第一次伟大胜利，尽管这一发现算是个意外。Rittmann解释说，回到爱德华时代的英格兰，当工业发展和高密度城市将周围河流变成臭气熏天的公共卫生威胁时，他们的卫生工程师别无选择，只能将污水收集到水箱中，让沉重的固体沉淀下来，然后将依旧肮脏的水排回环境中。

　　Rittmann说：“这两位前辈真的不知道为什么这会是个好主意，但他们还是做了，并且这么做的效果非常好：几个小时或几天后，这些水变得澄清了，固体凝结成大量纤维和薄片，这些正是‘

　　（activated sludge）’。”自上世纪20年始，这种工艺被世界各地的污水处理厂采纳，直到今天仍然还是世界上应用最广泛的生物污水处理工艺。Rittmann介绍说，向储罐中泵入空气，生活在污水中的微生物生态系统就得到了代谢所需要的氧气并开始疯狂代谢；当微生物消化完所有能消化的东西后，它们生长成一层密密麻麻的“垫子”，变成淤泥，沉到水箱底部，留下上层干净的水。但这个过程直到上世纪80年代科学家应用分子基因组学对这一过程进行研究时

　　，才变得清晰明了起来。Rittmann说：“我们使用过的第一种工具就是查看它们的核糖体RNA，”使用这样的方法，研究人员可以直接在“生命之树”上识别待测生物体的位置。

　　几十年的研究告诉Rittmann，这些微生物群落的大部分工作都由细菌完成，有时在厌氧情况下还会有各种古生菌接管工作。上世纪90年代到本世纪初，基因组学的快速发展帮助科学家揭示了这些微生物群落的复杂性，这些微生物群落可以轻松包含2000个或以上的物种，并允许研究人员监测这些生态系统如何根据环境改变其化学活动。反过来，这些发展帮助研究人员调整他们的微生物群落以执行特定的功能——这个过程基本上相当于设计一个环境，再用一些富含微生物的土壤或水播种之前奖励其期望行为。此后，生态系统中已经存在的数千种物种将在新环境中重新平衡它们的群落，直到最适合执行该功能的生物占据优势生态位。

　　图2. 对于 Kartik Chandran 来说，设计使用微生物处理污水的有效方法是实现更大目标的其中一步：确保全球贫困人口获得更好的卫生条件。

　　有了这些工具，研究微生物污水处理的科学家在传统活性污泥处理方法上投入了大量精力进行反复思考。传统的活性污泥处理有一个很大的缺点：曝气费用昂贵，曝气所消耗的能源占到处理厂能源的60%-80%；如果曝气不仅去除有机碳，还要去除含氮和磷的化合物，那么这个数字会更高——通常来说，污水中碳、氮、磷化合物都要想办法去除，一旦氮、磷化合物被排放到封闭水体中，它们会引发藻类的大量繁殖、扩大缺氧死区面积。Chandran在本世纪初曾担任纽约市的污水处理顾问，帮助政府解决长岛海峡的死区问题，他说：“活性污泥中有好氧微生物可以帮忙处理氮化合物，但这些好氧微生物生长缓慢，他说，这意味着需要更大的水箱和“通气要求增加40-100%”。

　　除磷更加麻烦。标准的除磷处理方法是添加含钙、铝或铁离子的溶液，用这些离子结合磷并将其沉淀到水箱底部。但来自荷兰代尔夫特理工大学的环境生物技术专家Mark van Loosdrecht表示，“用这种方法处理会产生很多额外的废污泥，无形之中升高了成本，并且这种方法的可持续性较差。”大多数的问题可追溯到标准方法几乎完全依赖好氧微生物——这些微生物对能源密集型的空气供给反应良好。所以研究微生物污水处理的科学家们的总体策略是：尽可能多地厌氧处理污水。

　　厌氧氨氧化菌（anaerobic ammonium oxidation bacteria）

　　，约有16个物种，其作用正如其名所示：厌氧氨氧化细菌将人类排泄物和过度施肥的农场径流中的铵离子（NH

　　）；这一过程对氧气的需求微乎其微。虽然这些细菌在工作时仍需要一些曝气，因为厌氧氨氧化反应需要上述需氧氮微生物产生的亚硝酸盐（NO

　　上世纪九十年代末期，van Loosdrecht的团队开发并报道了一种更优雅的厌氧污水处理技术

　　，它们能够诱导有机体形成坚硬、致密的颗粒，于无定形态的污泥相比，这些颗粒能更容易地从清洁的水中分离出来。更妙的是，颗粒中的微生物会自发地组织成同心壳半岛.体育 (中国) 官方网站，壳外是好氧区，壳内是厌氧区，这意味着颗粒可以作为微型工厂，在其中好氧、厌氧微生物协同工作，无需专门的水箱和管道。这种同心壳结构也可以容纳

　　：一种有机体，当它在有氧、无氧条件之间循环时，会从水中提取大量的磷酸盐，而后以易于收集的聚合形式储存这种化学物质

　　van Loosdrecht说：“综合起来，这些特性能将污水处理厂的规模缩减到原来（采用传统处理方式的处理厂）大小的

　　。”2011年9月，经过十多年的实验室研究和中试工厂的开发， Nereda好氧颗粒污泥技术在荷兰埃佩首次全面部署。Epe工厂在处理市政污水、工业污水方面运行良好，目前全球范围内共部署了67个Nereda工艺项目。van Loosdrecht说：“考虑到这些项目的规划时间都在5-10年之内，我希望在亚洲和北美能实现项目部署的快速增长。”

　　与此同时，丹麦奥尔堡大学的Per Halkjær Nielsen和他的团队于2015年发现了第二类新的氮循环微生物

　　，它们可以在不需要氧气的情况下自行氧化氨。Per Halkjær Nielsen说：在我的世界里，这真是个巨大的发现。......它们彻底改变了我们对氮循环的看法。但在实际应用它们之前，我们还要进行大量的实验室研究。”

　　污水处理只是一个开始。在过去十年里，微生物生态学家还专注于开发将废物流（waste streams）转化为可用资源的方法。正如Nielsen所说：“我们希望所有这些工厂都能产生能源，少排放一些温室气体、走可持续发展的道路。”Chandran就开发了一种新方法，可以将甲烷（一种由厌氧细菌产生的强效温室气体）转化为甲醇，而处理厂可以将甲醇用作燃料或用来去除水中的硝酸盐。这种方法的诀窍就是，诱使好氧氮循环细菌将甲烷转化为甲醇，作为污水处理的副反应

　　的聚合物。van Loosdrecht说：“对细菌来说，PHAs就像一种脂肪储备，但聚合物，如果你提取它，它的特性与聚乙烯几乎无异。”与我们熟悉的聚合物如聚乙烯相比，PHA是可生物降解的，目前市面上已有少量的PHA生物塑料，van Loosdrecht则希望处理厂能大量生产PHA，他设计了一个微生物系统用来提取污水中的PHA

　　van Loosdrecht的研究小组还尝试从Nereda颗粒中提取凝胶状材料，以此开发新的市场。van Loosdrecht解释说“这是细菌用来粘合在一起的细胞外聚合物，”该聚合物于2019年以商品名Kaumera推出，可被制成阻燃、防水的复合材料。van Loosdrecht说，到目前为止，他们已经发现了Kaumera的一些利基应用，尤其是作为用于粘合肥料颗粒和包衣种子的油基聚合物的可生物降解替代品。目前他们还在尝试将Kaumera与另一种污水副产品（卫生纸中的纤维素）结合起来，形成一种坚固、轻便的建筑材料。Mark van Loosdrecht说：“我们在荷兰有一个示范基地，每年可生产约400吨Kaumera。”最终，他想“将废水中的所有有机分子转化为PHA或Kaumera，这取决于我们如何引导这个过程。”

　　对于Chandran来说，这样的壮举是更大目标的其中一步——微生物系统可以帮助全球卫生条件欠佳的人。“我过去十年左右的想法已经被这些问题改变了，”他说。在实践中，这一目标通常意味着在较小规模的分散设施中部署微生物系统，而不是只考虑大型集中处理厂中部署。为了帮助这些本地设施抵消其成本，Chandran一直在设计它们以产生满足本地需求的高价值输出。Chandran的这一策略在2011-2014年间得到了实施，当时比尔和梅琳达·盖茨基金会资助Chandran与当地合作者合作，在加纳开展一系列示范项目

　　。Chandran团队在加纳农村地区重新设计了厕所，使其不仅提供卫生设施，还能为当地农田提供肥料。此外，在加纳第二大城市库马西，Chandran和他的同事们设计了一个能将粪便污泥转化为生物柴油和甲醇的系统，在将污泥转化为可用生物燃料的同时也能将污泥排除在当地水道之外。

　　可惜的是，这一项目持续到2014年因加纳方资金问题中止，但Chandran将他在加纳积累的经验应用到与阿拉巴马黑带地区行动主义者Catherine Coleman Flowers的合作中。阿拉巴马黑带（Black Belt）地区拥有适合种植但不利于排水的深色粘土，因此这个地区每年需要在化粪池上花费大量资金，这对于既贫穷又是农村地区的人群来说是个坏消息，多贫困居民只能依靠开放式管道将废物从厕所直接输送到附近的沟渠或溪流中。Chandran正在设计微生物备择方案以解决这个问题，去年，他和Flowers在哥伦比亚成立了一个保护组织：废水创新与环境正义实验室（the Wastewater Innovation and Environmental Justice Lab）。

　　然而，Chandran等人聚焦的这一问题并不局限于阿拉巴马州。近四分之一的美国人依赖化粪池系统或其他的现场系统，这些系统如果维护不当，就会导致病原体和硝酸盐渗入土壤和地下水中。更甚，由气候变化引发的洪水、贫困和基础设施投资普遍缺乏等因素共同加剧了这个问题。因此，Chandran说：“在我们采取行动之前，重要的是

　　。Chandran说，在阿拉巴马州，适当的产出可能是当地作物的肥料，但在干旱的美国西南部，主要的需求就变成了干净的饮用水。只有完成这些分析之后，我们才会开始设计针对每个地区量身定制的微生物系统，根据需要混合使用好氧和厌氧过程，并确保人们负担地起这一套为他们量身定制的微生物系统。扩展这些方法也很关键。例如，当微生物群落开始间歇性地培养而不是像污水处理厂那样持续培养时，它们会发生什么？”

　　前路漫漫。但是，如果研究人员可以缩小这些系统的规模，并且可以通过回收的资源来抵消开发和运营成本，那么Chandran就看到了社区处理污水的“改变游戏规则的方法”。