《Water》：Coupling Microbial Transformation and Adsorption for Organic Phosphorus Removal in Sludge Biochar-Based Biofilter
Zhangbo Wu,
Shuai Wu,
Shengye Ou,
Jinyong Zhu,
Liti Su,
Jin Zhang and
Huizhen Hu
编辑推荐：
本文综述深入探讨了利用污泥基生物炭生物滤池（SBBF）去除水体中有机磷（OP）的协同作用机制。研究指出，高效去除OP依赖于一种耦合的生物-物理化学机制，其中微生物通过磷酸酶（phosphatase）介导的OP矿化（mineralization）将其转化为无机磷酸盐（IP），而富含铁/铝（Fe/Al）活性位点的生物炭基质则同步对转化产物进行快速吸附和固定。该机制克服了传统吸附主导工艺的局限，为处理高OP负荷废水（如农业径流、养殖废水）提供了优化策略，增强了人工湿地（CWs）等自然基处理系统的除磷稳定性。
1. 引言
磷（P）是驱动水体富营养化的主要限制性营养盐，其有效去除是水污染控制的核心挑战。同时，磷作为生物大分子（如核酸、磷脂、ATP）的关键元素，对所有生命体不可或缺，并在维持平衡的生物地球化学循环中发挥着关键作用。在自然和人工生物系统中，微生物的生长和代谢活动受到碳（C）、氮（N）、磷（P）化学计量平衡的严格调控。近几十年来，有机磷（OP）日益受到关注，其在农业径流、水产养殖废水和农药污染废水等水体总磷（TP）中所占比例可观且不断增长。与无机磷酸盐（IP）相比，OP具有更大的化学多样性、更低的直接生物可利用性以及对传统吸附剂更弱的亲和力，使得其去除过程更加复杂和难以预测。因此，OP被认为是实现分散式和自然基处理系统稳定高效除磷的关键瓶颈。
生物滤池等基质基处理技术因其低能耗、生态兼容性和运行简便性而被广泛应用于除磷。传统上，这些系统中的磷去除被归因于物理化学过程，特别是与铁（Fe）、铝（Al）相关矿物相的吸附和表面络合。虽然这些机制对IP有效，但其对OP的适用性本质上有限。OP化合物必须先进行转化（最常见的是矿化为IP），然后才能被有效固定。OP与IP之间的转化涉及复杂的生化和物理化学氧化机制，这些机制与生物滤池系统的性能紧密耦合。生化氧化主要由微生物的胞外氧化还原酶（如漆酶、过氧化物酶）和磷酸酶介导：氧化还原酶通过氧化脱氢催化OP化合物中C-P键的断裂，产生中间产物，随后被磷酸酶进一步水解为正磷酸盐。在物理化学层面，通过光解、类芬顿反应或基质表面催化产生的活性氧物种（ROS）可以将OP官能团氧化为更不稳定的形式，从而促进后续的矿化。然而，先前的大多数研究都集中于总去除效率，对磷形态动态以及转化与截留过程之间的耦合关系关注有限。
微生物被广泛认为通过分泌胞外磷酸酶参与OP降解，将OP水解为正磷酸盐。尽管如此，微生物过程在维持磷去除中的作用仍未明确。在许多人造湿地研究中，微生物活动常被定性描述为“增强OP去除”，但尚不清楚微生物是直接贡献于磷的去除，还是主要促进磷的转化而不确保其后续截留。此外，尽管越来越多的证据表明功能特化而非分类学丰富度主导生物地球化学过程，高微生物多样性常被认为与改进的处理性能相关。缺乏将微生物活性、酶促转化、磷形态和基质截留能力联系起来的综合分析，阻碍了对OP去除机制的理解。
污泥衍生生物炭因其高比表面积、丰富的Fe/Al相关活性位点和良好的孔隙结构，近年来已成为一种有前景的磷控制功能基质。除了强大的吸附能力，污泥生物炭还可作为有效的微生物载体，促进生物膜形成、酶固定化和持续的代谢活动。这些特性表明，污泥生物炭可能实现一种紧密耦合的生物-物理化学途径，即微生物驱动OP矿化，而生物炭基质快速固定产生的IP。这种耦合可以克服吸附主导系统的局限性，并在高且波动的OP负荷下稳定除磷。然而，污泥生物炭的一个关键内在局限在于其有限的吸附容量：一旦磷吸附饱和，在环境条件变化时可能导致磷释放或再活化，从而抵消先前的去除效果并带来二次污染风险。这突显了系统管理策略的必要性，包括优化污泥原料预处理、监测生物炭在使用中的性能以及吸附磷的最终回收，以实现养分循环。只有通过这种全面的方法，才能充分实现污泥衍生生物炭的环境和经济效益，同时规避其固有风险。
鉴于此，本研究的关键创新点有三方面：（1）量化区分了在不同OP浓度和组成条件下，吸附主导和微生物介导的磷去除途径；（2）证明微生物活动主要通过调控磷形态来稳定TP去除，而非作为一种直接的去除机制；（3）阐明了一种协同的生物-物理化学机制，其中污泥衍生生物炭同时选择性地富集功能性磷转化微生物并固定转化产物，从而确保在高OP负荷条件下的稳健除磷。
2. 材料与方法
2.1. 基质制备与生物滤池配置
本研究所用污泥取自中国湖州某饮用水处理厂的污泥脱水单元。该材料呈泥饼状固体，主要由原水泥沙颗粒、有机物及混凝剂残留物衍生的铝/铁（氢）氧化物组成。其详细理化性质已在先前研究中报道。污泥生物炭通过氮气氛围下的管式炉热解制备。实验采用了300°C、500°C和700°C三个梯度热解温度，相应制备的污泥碳分别命名为Sludge Carbon-300、Sludge Carbon-500和Sludge Carbon-700。同时，系统分析了不同热解温度对污泥碳理化性质、金属（铝/铁）溶出风险、有机磷吸附性能及吸附机制的影响，最终确定300°C为最佳热解温度。污泥生物炭在121°C下高压灭菌20-30分钟，每周一次，并通过基质中有机磷比例较高和酸性磷酸酶活性显著较低间接验证灭菌效果。选择在300°C下制备的生物炭（SB-300）作为主要基质材料，以砾石和原污泥作为对照基质。为防止反应器堵塞，所有基质材料均过筛获得2-3毫米粒径的颗粒，并用去离子水冲洗三次以去除表面杂质和灰尘，然后烘干备用。
生物滤池主体由玻璃制成，有效柱高180毫米，内径30毫米。系统采用上流模式运行，进水从底部端口引入，出水从顶部端口排出。顶部用橡胶塞密封。安装有排气口以定期释放气体并维持内部压力平衡。底部安装滤网以防止基质材料进入管路。
2.2. 实验设计与运行
本实验设置了四个平行生物滤池：一个为接种微生物的砾石基质滤池，一个为接种微生物的污泥生物炭基质滤池，一个为接种微生物的原污泥基质滤池，以及一个不接种微生物的污泥生物炭基质滤池（通过定期高温灭菌维持无菌状态）。所有生物滤池的水力停留时间设计为24小时，总运行周期为6个月（180天），根据进水中有机磷与无机磷的比例分为五个连续阶段。实验期间，每两天检测进出水水样的总有机碳、TP、OP和pH等水质指标。
2.3. 连续磷提取
使用0.1 M NaOH溶液连续提取基质结合磷。称取0.1克样品，依次用40毫升上述溶液处理。混合物在25°C下孵育24小时，随后在每个提取步骤后进行静置、离心和过滤。滤液储存于4°C，固体样品干燥后进行下一个提取循环。通过测量滤液中的TP和无机磷水平计算总磷含量。
2.4. 微生物分析
在稳定运行后，从污泥生物炭基质表面收集微生物样品。使用PowerSoil DNA提取试剂盒提取总DNA。用通用引物341F和805R对16S rRNA基因的V3-V4高变区进行PCR扩增。高通量测序在上海天昊生物科技有限公司的Illumina MiSeq平台上进行。使用QIIME 2软件包分析微生物群落组成和多样性。
2.5. 数据分析
所有实验均进行三次重复，数据以平均值表示。基本数据分析使用平均值检验计算平均值和标准偏差。然后使用单因素方差分析评估不同组间的差异。基于Bray-Curtis相异度的主坐标分析用于确定不同生物滤池中细菌群落的β多样性。所有统计分析均使用Origin 2021和GraphPad Prism软件进行，并使用R软件生成图形可视化。
3. 结果与讨论
3.1. 总磷去除性能总体分析
在初始阶段（第一阶段），当进水OP浓度较低时，所有处理组均表现出相近的高OP去除效率，中位去除率均超过40%，表明在低磷负荷下，传统（砾石）和污泥基基质都能有效去除进水中的OP。当第二阶段进水OP浓度增加至2.0 mg P L-1时，不同基质类型间的差异变得明显。污泥基组的OP去除效率持续显著高于砾石对照组。这种差异可归因于表面化学性质的差异：砾石仅含痕量铁，而污泥富含铁和铝物种，两者均通过配体交换和表面络合机制对磷酸盐表现出强亲和力。在低OP浓度下，所有材料上的吸附位点充足；然而，随着OP负荷增加，砾石的吸附容量迅速接近饱和，而污泥基基质则保持了更优的吸附性能。
随着OP浓度进一步增加和磷形态变化，三个污泥基系统之间出现了显著的性能分化。值得注意的是，在OP和TP去除方面，SB+M组持续优于SB组。这一结果提供了直接证据，表明微生物在高OP负荷条件下对维持磷去除起着关键作用。
在非生物污泥基系统中，当进水OP比例增加时，TP去除效率显著下降。这一现象可解释为污泥衍生吸附剂对IP的吸附优先于OP；随着OP成为主导磷组分，整体的TP去除受到污泥生物炭对OP较低吸附亲和力的限制。相比之下，在生物活性系统中，OP/IP比例的变化对TP去除效率没有显著影响，这表明微生物过程有效地介导了有机和无机磷形态之间的相互转化。具体而言，微生物可能促进了OP矿化和IP同化，从而在不同磷组成下维持了稳定的TP去除。OP和TP去除率的箱线图进一步说明了SB+M相对于SB的变异度更低、中位性能更高，强化了微生物活动在波动进水条件下的缓冲作用。
此外，SB+M系统在整个第三至第五阶段的TP去除效率显著高于S+M系统。与文献报道相比，本研究中污泥生物炭系统实现了稳定的TP去除效率，与或高于许多先前研究，特别是在进水磷浓度相对适中的情况下。这种提升可能归因于碳化污泥基质为微生物定殖提供了更有利的表面结构，包括更高的孔隙率、更大的比表面积和改善的电子传递特性。这些特性促进了微生物附着和代谢活动，从而协同增强了生物磷转化和物理化学截留。
同时，不同反应器各阶段的出水TOC和pH值数据显示，污泥生物炭系统中的弱酸性环境和稳定的TOC水平为OP去除创造了有利条件。弱酸性条件不仅增强了污泥生物炭中Fe/Al活性位点对磷的配体交换和表面络合能力，也为磷酸酶介导的OP矿化提供了适宜的酶促环境。而稳定的TOC持续支持磷转化功能微生物的代谢活动，确保OP高效转化为IP。
总体而言，这些结果表明，尽管在低负荷条件下吸附主导磷的去除，但随着OP浓度和组成复杂性的增加，微生物过程变得日益关键。微生物与污泥衍生生物炭基质的结合有效克服了吸附限制，确保了在高变OP负荷条件下的稳定高效除磷。
3.2. 磷形态的转化
不同基质系统的出水磷形态存在明显差异。总体而言，污泥基反应器的出水仍以OP为主，而在砾石基系统中，IP比例随着进水总磷浓度的升高而显著增加。这一模式表明，在高磷负荷下，OP在砾石系统中更容易转化为IP。然而，由于砾石的磷截留能力有限，新生成的IP无法被有效固定，从而在出水中积累。这些结果表明，磷形态动态不仅受进水组成控制，也受基质调控和截留转化产物的能力影响。
值得注意的是，即使在定期灭菌的污泥基系统中，也在出水中检测到可测量的IP部分。结合在该系统中检测到的残留磷酸酶活性，这一发现意味着观察到的IP不太可能仅源自物理化学解吸，而更可能归因于酶介导的OP水解。进水引入的痕量微生物，或在系统内持续存在的耐灭菌微生物种群，可能仍能分泌催化OP矿化的磷酸酶。这一观察突显了该系统中OP向IP的转化不需要高微生物丰度，但对酶活性高度敏感。
磷酸酶浓度与基质内IP比例之间存在显著正相关，这提供了直接证据，表明磷酸酶是OP矿化的关键驱动力。磷酸酶裂解有机磷化合物中的酯键或磷酐键，释放可溶性正磷酸盐，从而改变系统内的磷形态。这种关系从机理上证实了本研究中的OP矿化主要由磷酸酶活性介导。
在不同的微生物系统中，污泥生物炭-微生物系统中的磷酸酶浓度显著高于仅用污泥和砾石基系统。这表明污泥生物炭为产磷酸酶微生物的生长和代谢活动提供了更有利的微环境。污泥生物炭的高比表面积和发达的孔隙结构有利于微生物附着和定殖，而其表面官能团和金属相关活性位点可能促进酶的固定和稳定。此外，污泥生物炭缓慢释放的不稳定有机碳可以满足产酶微生物的能量需求，从而增强OP矿化。
然而，OP向IP的转化并不必然导致更高的磷去除效率。尽管砾石基微生物系统的磷酸酶活性也相对较高，但砾石对OP和IP的弱吸附能力限制了转化产物的截留，导致整体去除效率较低。相比之下，即使在定期灭菌条件下，污泥生物炭对OP和IP均表现出强吸附能力，使得在酶活性被抑制的情况下仍能实现相对较高的磷去除。
综上所述，这些结果表明磷酸酶介导的OP矿化是磷形态转化的主要驱动力，其强度受OP底物可用性和基质对产酶微生物适宜性的调节。然而，从工程角度看，基质对转化产物的吸附和固定能力最终决定了磷去除性能，而酶活性主要起到加速磷转化的作用，而非主导的去除机制。
3.3. 微生物组在增强磷转化中的作用
Alpha和Beta多样性分析共同表明，在增加OP负荷下，污泥生物炭和砾石系统之间存在不同的微生物群落构建模式。在第二阶段，污泥生物炭组更高的Chao1和Shannon指数反映了增强的微生物丰富度和均匀度，这可能得益于生物炭的多孔结构和异质表面化学的支持。当第三阶段OP负荷增加时，污泥生物炭系统的Alpha多样性下降，而砾石系统则增加，同时Beta多样性分析显示两个群落间存在明显分离，表明存在分化的生态选择压力。这种转变表明，污泥生物炭对OP农药的强吸附施加了环境过滤，选择性富集了耐受或能够转化有机磷化合物的微生物，从而降低了总体多样性但增强了功能特化。在第四阶段，两个系统的Alpha多样性均部分恢复；然而，砾石系统在分类学上仍然更具多样性，而污泥生物炭系统则保持了更功能化的群落结构。重要的是，砾石系统中较高的微生物多样性并未转化为改善的磷去除，这突显出高效的OP转化和磷截留是由基质介导的微生物选择驱动的，而非多样性本身。
在污泥生物炭系统中显著富集的几个属，均与有机磷降解、磷酸酶产生或氧化还原耦合的磷转化相关。这些类群中的许多能够分泌胞外磷酸酶或参与碳-氮-磷耦合循环，从而促进OP矿化和后续IP同化。它们在污泥生物炭系统中较高的相对丰度与这些反应器中观察到的磷酸酶活性升高和更稳定的磷去除相一致。
相比之下，砾石基系统的特征是较低的微生物多样性和一个较少富集磷转化功能类群的群落结构。尽管OP矿化仍可通过磷酸酶活性发生，但有限的微生物功能多样性和较弱的基质截留能力限制了转化与去除过程之间的有效耦合。
重要的是，污泥生物炭系统中高微生物多样性、功能性磷转化类群和强物理化学吸附能力的共存，创造了一条协同去除途径。微生物通过酶促过程主动将OP转化为IP，而生物炭基质则通过表面络合以及与铁铝相关位点的配体交换快速固定释放的IP。这种生物转化与物理化学截留之间的紧密耦合防止了IP在出水中的积累，并维持了高的整体磷去除效率。
总的来说，这些发现表明，污泥生物炭系统中的磷去除并非仅由微生物活动驱动，而是由一个综合的生物-物理化学机制驱动。增强的微生物多样性和功能特化加速了磷的转化，而污泥生物炭优越的吸附特性确保了转化产物的有效捕获。这种协同相互作用解释了为何在高OP负荷条件下，污泥生物炭系统中的磷转化更为活跃，且整体去除效率始终高于砾石基系统。
4. 结论
本研究通过整合性能评估、磷形态分析、酶活性和微生物群落特征，系统阐明了在增加的有机磷负荷下，基质基系统中的磷去除机制。在低OP负荷下，所有系统都达到了相近的OP去除效率，中位去除率超过40%，表明无论基质类型如何，均以吸附控制为主导。当进水OP浓度增加到2.0 mg P L-1时，污泥基系统表现出明显更优的性能，实现了52.6-95.3%的平均OP去除效率，而砾石系统仅为35.3%，突显了在高OP胁迫下仅靠吸附的基质的局限性。随着OP负荷和组成复杂性的进一步增加，生物活性污泥生物炭系统保持了持续高的TP去除效率，而非生物污泥系统中的TP去除在第四阶段下降至81%，证明了微生物过程在维持磷去除中的关键作用。磷酸酶介导的OP矿化被确定为磷形态转化的主要驱动力，磷酸酶活性与无机磷酸盐比例之间的强正相关关系提供了证据。然而，有效的OP向IP转化本身并不能保证高去除效率；只有将活性酶促转化与强Fe/Al相关吸附位点结合的系统，才能成功固定转化产物并防止IP在出水中积累。总体而言，这些结果表明，在高OP负荷下稳定的磷去除依赖于一个紧密耦合的生物-物理化学机制，其中微生物转化加速磷的转化，而污泥衍生生物炭确保快速有效的截留。这种整合途径为在人工湿地及相关自然基处理系统中控制富含OP的废水提供了稳健的工程策略。
未来研究可从以下方向展开：延长运行周期以评估污泥生物炭基生物滤池的长期稳定性和复杂废水处理性能，优化基质改性和再生技术以增强对有机磷的吸附容量并降低磷释放风险，结合多组学技术深入探索微生物-磷-基质相互作用的分子机制，推进中试规模和工程优化以明确实际应用参数，同时探索饱和基质中磷的资源化回收途径，并完善该技术的理论体系和
