近年来,每到夏季,太湖、巢湖、滇池和许多大小湖泊和水库、甚至水流速度慢的江段频繁出现蓝藻水华爆发现象,水面上覆盖一层厚厚的“绿油漆”。而有些蓝藻产生肝毒素、威胁饮用水和水产品的安全性,令人谈虎色变。

图1 水华现象(图片来自网络)

为了治理水华,科学家和工程师们想了很多的办法。活性污泥法,是目前我国市政污水和工业废水净化处理的主流技术。活性污泥微生物可有效去除污水中的有机物、氮磷营养和重金属等污染物。超过90%的市政污水和50%的工业废水处理采用该技术。

活性污泥法是如何工作的呢?曝气、泥水重力分离和污泥回用是活性污泥法三要素。如图2所示,将废水与活性污泥(微生物)混合搅拌并曝气,在曝气池中特殊微生物逐渐形成污泥菌胶团,污泥微生物就把污染物吃掉。在二次沉淀池中,污泥菌胶团借助重力沉淀下来,实现泥水分离。净化后的清水经消毒处理即可排出。

图2 活性污泥法原理示意图

在这个过程中,活性污泥微生物菌胶团形成,无疑是活性污泥法成功的关键。菌胶团是细菌及其分泌的胶质组成的细小颗粒(图3),是活性污泥的主体,污泥的吸附性能、氧化分解能力及凝聚沉降等性能取决于菌胶团。

许多重要的活性污泥微生物,包括聚磷菌和硝化细菌,都有可能形成菌胶团。而菌胶团形成菌所产生的胶质状胞外多聚物(简称EPS)是活性污泥菌胶团形成所必需的“黏合剂”。

图 3 喜树脂动胶菌所形成的菌胶团的显微照片(放大600倍)

那么,活性污泥菌胶团是如何形成的呢?近期,中科院水生所邱东茹学科组研究就针对这个问题进行了研究。

科研人员发现,动胶菌等活性污泥菌可利用细胞质膜上的PrsK感受器激酶,接收未知信号,激酶发生自我磷酸化并将磷酸基团传递给响应调节蛋白PrsR,被活化后PrsR调节结合到PEP-CTERM基因启动子上游的增强子上,然后与结合在启动子上的RpoN sigma因子互作,从而启动PEP-CTERM基因的转录,合成信使RNA,随后PEP-CTERM得以大量表达(图4)。

图4 动胶菌等活性污泥微生物菌胶团形成和信号传导途径示意图

在这个过程中,很多很多单个细菌细胞通过“打电话”进行相互协作,把自身合成的胞外多糖当成网线,把PEP-CTERM蛋白质当成网线交织的网节,这种网状物质就一层层地把微生物细胞包裹起来,就形成了菌胶团。这样一来,这些零零星星的散兵游勇聚集起来变为战斗力强大的集团军,可供来回调遣、反复冲锋陷阵,净化污染、除磷脱氮。

科研人员还发现,菌胶团不仅可以抵抗原生动物捕食、保护细菌,可能还有其他未知功能。希望不久的将来可以彻底揭开菌胶团形成之谜。“有意栽花花不发”,活性污泥法发明之前,虽然发现曝气供氧对水质有所改善,但由于起净化作用的微生物数量少,效率太低。“无心插柳柳成荫”,活性污泥法发明者无意中利用某些微生物形成菌胶团的特性富集大量的微生物参与净化,辅以曝气,污水的净化过程得以人工强化。

当我们深入理解活性污泥微生物菌胶团的形成过程和调控机制以后,就可以对活性污泥技术进行改进,不但提高污染净化效率,还希望减少剩余污泥产生量。此外,可以提高污泥的可利用性,更好地分解和利用剩余污泥,比如生产生物塑料、肥料和生物柴油,并可利用菌胶团形成菌资源开发新技术;还可进一步提高活性污泥除磷脱氮的能力,减少出水对受纳水体氮磷营养的输入,降低并最终避免蓝藻水华的爆发。

作者:高娜、夏明、戴景程

来源:中国科学院水生生物研究所

来源:知乎 www.zhihu.com

作者:中科院之声

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