甘氨酸介导的微生物相互作用在生物磷去除系统中的作用

《Water Research》：Glycine-mediated microbial interactions in biological phosphorus removal systems

　　

阿古斯蒂娜·齐利亚尼（Agustina Ziliani）|帕特里夏·博维奥-温克勒（Patricia Bovio-Winkler）|马丁·帕布斯特（Martin Pabst）|安赫拉·卡贝萨斯（Angela Cabezas）|克劳迪娅·埃切贝赫雷（Claudia Etchebehere）|赫克托·A·加西亚（Hector A. Garcia）|卡洛斯·M·洛佩兹-巴斯克斯（Carlos M. López-Vázquez）|达米尔·布尔德亚诺维奇（Damir Brdjanovic）|马克·C.M·范·卢斯德里希特（Mark C.M. van Loosdrecht）|弗朗西斯科·J·鲁比奥-林孔（Francisco J. Rubio-Rincón）

阿古斯蒂娜·齐利亚尼，瑞士杜本多夫（Agustina Ziliani, Eawag Dübendorf, Switzerland）

摘要

氨基酸在强化生物除磷（EBPR）系统中是较少研究的底物。本研究使用废水中的常见氨基酸甘氨酸来评估其在EBPR过程中的作用。我们运行了一个序贯批式反应器（SBR），以甘氨酸作为唯一的碳源，通过化学和分子分析研究了其除磷性能和微生物动态。该反应器支持EBPR过程，甘氨酸促进了厌氧条件下磷的释放，随后是有氧条件下的磷的吸收。溶解有机碳与磷的去除比（DOC:P）为100:9.9，与以聚磷酸盐积累菌（PAOs）为主的系统报告的值相当；总磷去除量（20 mg PO?-P L^-1）处于实验室规模EBPR系统使用混合碳源时的范围内。群落分析显示，Saccharimonadales菌门细菌以及可能的PAOs细菌（包括Ca. Phosphoribacter和Ca. Propionivibrio）得到了富集。基因组解析表明，这些细菌具有不同的但互补的代谢潜力，包括甘氨酸转化和乳酸相关途径，这表明群落内部存在分布式的碳处理过程。这些发现扩展了我们对EBPR系统中氨基酸利用的理解，并识别出在甘氨酸供给条件下影响磷去除的潜在代谢联系。

引言

有效去除废水中的磷对于防止水体富营养化及其相关的不良生态影响至关重要（Bunce等人，2018年）。强化生物除磷（EBPR）被广泛用于这一目的（Barnard等人，2017年）。然而，废水进水含有复杂的有机物质混合物，包括蛋白质及其降解产物，这些物质可能影响EBPR的效果。当蛋白质被水解时，氨基酸被释放出来，可供微生物群落利用，从而可能影响参与磷去除的代谢途径（Nielsen等人，2012年；Thomson等人，2025年）。

聚磷酸盐积累菌（PAOs）是磷去除的关键驱动因素，它们是一组具有不同代谢策略的多样化微生物（Ruiz-Haddad等人，2024年）。传统的PAOs，如Candidatus Accumulibacter和Dechloromonas属细菌，可以从可用的碳源（如挥发性脂肪酸（VFAs）和葡萄糖）中积累聚羟基烷酸（PHA），并将聚磷酸盐水解与碳吸收联系起来（Oyserman等人，2016年；Ziliani等人，2023年）。相比之下，发酵型PAOs，包括Candidatus Phosphoribacter（以前称为Tetrasphaera），可以利用氨基酸和糖类，并可能依赖发酵途径来支持聚磷酸盐循环（Ruiz-Haddad等人，2024年；Singleton等人，2022年）。Ca. Phosphoribacter属最近根据基因组解析重新分类（Singleton等人，2022年）。在本文中，我们使用更新的名称Ca. Phosphoribacter，但在引用重新分类之前的研究时仍保留原始属名。其他与PAOs相关的分类单元显示出代谢灵活性，能够储存多种细胞内化合物（Kawakoshi等人，2012年；Rubio-Rincón等人，2017年）。PAOs之间的这种代谢异质性有助于它们在波动的废水环境中的适应性，并表明富含氨基酸的条件可能会改变PAO群落结构并影响磷去除动态（Confer等人，1995年）。

已有研究表明，氨基酸可以影响EBPR的性能（Marques等人，2017年；Nguyen等人，2015年；Oyserman等人，2016年；Tian等人，2022年）。Nguyen等人（2015年）报告称，在Tetrasphaera富集的系统中，甘氨酸可以触发磷的释放和吸收。然而，其他研究则报告甘氨酸的磷释放速率较低，且动力学表现与其它氨基酸或传统VFA底物（如乙酸和丙酸）相比不典型（Qiu等人，2020年；Tian等人，2022年）。这些相互矛盾的结果表明，甘氨酸在EBPR系统中的作用尚未明确，可能取决于微生物组成和代谢相互作用，而不仅仅是底物化学性质。

微生物间的交叉喂养是EBPR稳定性和性能的决定因素。发酵型微生物可以将底物转化为低分子量中间体，随后被PAOs利用，从而形成代谢耦合的群落（Elahinik等人，2023年，2022年；Marques等人，2017年）。Saccharimonadales目（以前称为TM7）的成员是污水处理厂中常见的专性发酵菌（Albertsen等人，2013年）。尽管它们通常数量较少，但其发酵代谢表明在富含氨基酸的条件下可能参与碳的重新分配。然而，它们在甘氨酸驱动的EBPR过程中与PAOs的相互作用尚未被研究，它们对底物转化和磷去除的贡献程度也不清楚。

在这项研究中，我们使用甘氨酸作为唯一的碳源运行了一个序贯批式反应器（SBR）超过三个月，以评估EBPR性能和富集的微生物群落。通过化学分析、宏基因组学、宏蛋白质组学和荧光原位杂交（FISH）技术，我们研究了磷去除效率和群落组成，特别关注在持续供给甘氨酸条件下降富集的Saccharimonadales菌及其与PAOs之间的潜在代谢相互作用。

章节摘录

序贯批式反应器（SBR）操作 overview

我们使用了一台Applonik双夹层SBR，工作容量为2.5升，由BioXpert软件和Applonik ADI 1030生物控制器控制。接种物由来自荷兰代尔夫特Harnaschpolder生物营养去除厂的活性污泥与来自丹麦奥尔堡大学化学与生物科学系微生物群落中心的污泥按1:1（体积比）混合而成。SBR以8小时为周期运行，包括3.5小时的厌氧阶段和3小时的

反应器操作和EBPR概况

我们连续运行SBR超过90天，在第50天左右达到了近似稳态，此时固体停留时间（SRT）为3.3小时。MLVSS/MLSS比率在0.82到0.98之间波动（图S1）。过程监测在整个实验期间保持稳定。pH值严格控制在6.88到7.16之间（平均值7.02 ± 0.08），温度保持在20.6 ± 0.2 °C。在厌氧阶段，氧化还原电位（ORP）值有所下降

甘氨酸对EBPR系统的影响及其在PAO群落中的利用

之前的研究在EBPR系统中使用甘氨酸时得到了不同的结果。Nguyen等人（2015年）证明，甘氨酸可以诱导Tetrasphaera主导系统中的厌氧磷释放，随后是有氧吸收，这表明存在细胞内储存和氧化现象。这种释放特别显著，因为甘氨酸的磷释放率仅次于乙酸。Liu等人（2022年）也报告了类似的结果，他们观察到高

结论

在运行超过90天的序贯批式反应器中，甘氨酸促进了厌氧磷的释放和随后的有氧吸收，尽管去除性能在运行过程中有所波动，且释放-吸收动力学比通常报道的VFA供给系统要慢。在甘氨酸供给条件下形成的微生物群落与传统乙酸驱动的EBPR富集群落不同，其中Saccharimonadales菌门占主导地位，而Ca. Accumulibacter的数量较少。

CRediT作者贡献声明

阿古斯蒂娜·齐利亚尼（Agustina Ziliani）：撰写——初稿、可视化、方法学、研究、数据分析。帕特里夏·博维奥-温克勒（Patricia Bovio-Winkler）：撰写——审稿与编辑、可视化、数据分析。马丁·帕布斯特（Martin Pabst）：撰写——审稿与编辑、数据分析。安赫拉·卡贝萨斯（Angela Cabezas）：撰写——审稿与编辑。克劳迪娅·埃切贝赫雷（Claudia Etchebehere）：撰写——审稿与编辑。赫克托·A·加西亚（Hector A. Garcia）：概念化。卡洛斯·M·洛佩兹-巴斯克斯（Carlos M. López-Vázquez）：监督、概念化。达米尔·布尔德亚诺维奇（Damir Brdjanovic）：监督。马克·C.M·范·卢斯德里希特（Mark C.M. van Loosdrecht）：撰写

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的会干扰本文所述工作的财务利益或个人关系。

致谢

本项工作得到了乌拉圭国家研究与创新机构（ANII）的支持。