动胶菌属系统分类生理特征及其在活性污泥中的作用安卫星

应用与环境生物学报ChinJApplEnvironBiol2016，22(6):1167-11742016-12-25DOI:10.3724/SP.J.1145.2016.01015肇端于英国曼彻斯特的工业革命推动了人类文明的历史进程，然而工业化的推进和人口向城市的大规模集中造成了严重的水体污染问题.因此高效水处理技术成为社会的迫切需求.经过多年的努力，1914年，英国学者EdwardArdern和WilliamLockett发明了应用至今的废水处理方法——活性污泥法[1].随后被异乎寻常地快速投入到进一步开发和实际应用中.从发明至今，活性污泥法一直是世界各国城市生活污水和工业废水处理的主流生化处理技术[2-3].该方法不但被广泛应用于普通城市生活污水的处理，通过驯化的活性污泥，还可以对高盐度废水、含油废水以及富含芳香烃、重金属和抗生素的废水进行有效地处理[4-9].如今，活性污泥法已收稿日期Received:2016-01-08接受日期Accepted:2016-03-03*中国科学院知识创新工程项目（Y15103-1-401）和科普项目（KP2015A09）资助SupportedbytheKnowledgeInnovationProgram(Y15103-1-401)andtheSciencePopularizationProject(KP2015A09)oftheChineseAcademyofSciences**通讯作者Correspondingauthor(E-mail:[e-mail])动胶菌属系统分类、生理特征及其在活性污泥中的作用*安卫星1,2高娜1,2夏明1,2戴景程1余佃贞1,2邱东茹1**1中国科学院水生生物研究所武汉4300722中国科学院大学北京100049摘要微生物菌群一直是活性污泥研究过程中的关键问题，近年来通过分子生物学等研究手段已经发现动胶菌是活性污泥微生物菌群中的优势细菌.本文以活性污泥微生物菌群为出发点，重点梳理了动胶菌属分类学研究历史和现状，并建议在前期命名过程中出现的垂（悬）丝状动胶菌和生枝动胶菌ATCC19623株及ATCC25935株不应再作为动胶菌属细菌对待.同时介绍了动胶菌属细菌的基本特性及其在活性污泥法处理废水中降解有机物、除磷脱氮和吸附重金属离子等方面的应用，以及动胶菌胞外多聚物的组成和动胶菌优良菌株的选育.我们及合作者最近分析了两个喜树脂动胶菌的基因组并鉴定出参与菌胶团形成的一个大型基因簇，也实现了基因定点敲除等遗传操作.今后研究应重点关注动胶菌分子遗传学、功能基因组学及胞外多聚物生物合成和菌胶团形成机理、化学结构和性质.（图2参83）关键词活性污泥法；菌胶团；动胶菌；系统分类；废水处理；胞外多聚物CLCQ939.97PhysiologicalcharacteristicsandsystematicclassificationoftheZoogloeaspeciesandtheirroleintheactivatedsludge*ANWeixing1,2,GAONa1,2,XIAMing1,2,DAIJingcheng1,YUDianzhen1,2&QIUDongru1**1InstituteofHydrobiology,ChineseAcademyofSciences,Wuhan430072,China2UniversityofChineseAcademyofSciences,Beijing100049,ChinaAbstractMicrobesarethekeyissueinthestudyofactivatedsludge(AS)process.ThegenomicandmetagenomicanalysesofAShavegreatlyimprovedourunderstandingofactivatedsludgemicrobes,demonstratingthepredominanceofZoogloeaspeciesintheASmicrobialcommunities.InthispaperwesummarizedthetaxonomyhistoryandsystematicclassificationofZoogloeagenus,andstronglyrecommendedthatthetaxaincludingZ.filipendulaBerger,Z.ramigeraATCC19623andZ.ramigeraATCC25935shouldbediscardedbecausetheyareeithertaxonomicallyinvalidornolongerregardedasmembersofZoogloeagenus.Furthermore,wealsointroducedbasedonavailabledatathecharacteristicsofZoogloeaspecies,theirroleinactivatedsludgeprocess,thechemicalstructureandpropertiesofextracellularpolymericsubstances(EPS)andthegeneticbreedingandscreeningfordesirablestrains.RecentlytwodraftgenomesofZ.resiniphilahadbeenanalyzedandalargeextracellularpolysaccharidebiosynthesisgeneclusterhadbeenfoundtoberequiredforflocformation.WeputforwardthatmoreattentionshouldbepaidtomoleculargeneticsandfunctionalgenomicsofZoogloeaandrelatedfloc-formingbacteria,themechanismsunderlyingthebiosynthesisofEPSandflocformation,aswellasthechemicalstructuresandpropertiesofvariousEPS.Keywordsactivatedsludgeprocess;zoogloeafloc;Zoogloea;systematicclassification;wastewatertreatment;extracellularpolymericsubstance1168应用与环境生物学报ChinJApplEnvironBiol期动胶菌属系统分类、生理特征及其在活性污泥中的作用有百年历史，百年来，其处理工艺经过了不断革新以满足不同时期对出水水质的要求.改革开放以来，我国的工业化及城市化规模和发展速度前所未有，随之而来的水体污染问题也更加突出.近年来我国城市污水处理厂建设加速，建成的污水处理厂在水体污染治理中发挥了不可替代的作用.目前，在我国大约90%以上的城市污水处理厂和50%以上的工业废水处理站采用活性污泥法进行废水处理.然而，长久以来活性污泥膨胀和剩余污泥处理一直是困扰活性污泥处理厂的技术难题.另外，现有活性污泥工艺的除磷脱氮效果还不够好，出水中依然携带较高水平的氮磷营养元素，尚不能满足受纳水体富营养防治的需求.研究表明，活性污泥法面临的诸多问题与活性污泥微生物菌群密切相关[10-12].而活性污泥中微生物菌群的结构和功能也影响着活性污泥生物活性的高低[13-15]，进而对污水处理厂的污水处理能力产生影响.因此，对活性污泥研究的关键在于对活性污泥微生物菌群的研究.在对活性污泥微生物菌群的研究过程中，Dias等通过涂布平板的分离方法，从7个活性污泥样品中共分离得到300多个菌株，其中动胶菌属（Zoogloea）细菌在所有菌株中占有优势地位[16].Rosselló-Mora等用荧光原位杂交技术对活性污泥中的微生物进行研究，结果发现有接近10%的细胞为生枝动胶菌（Zoogloearamigera）[17].香港大学张彤团队和清华大学文湘华团队通过基于16SrRNA基因的焦磷酸高通量测序方法，发现动胶菌属是我国大陆、香港以及新加坡、美国和加拿大的污水处理厂污泥中的优势属，丰度占1.38%-11.1%[18-19].可见，动胶菌属细菌在许多污水处理厂活性污泥中都占有优势地位.本文从活性污泥微生物菌群出发，以动胶菌属细菌为主要对象，结合自身的一些试验研究，着重介绍动胶菌属细菌从发现到命名、从形态学研究到分子层面研究的历程，展示动胶菌属细菌的研究历史、应用实例和研究现状，以期能够为活性污泥法处理废水及活性污泥微生物菌群的深入研究提供参考.1活性污泥中微生物的作用活性污泥中的微生物种类众多，包括细菌、真菌、放线菌以及原生动物和后生动物等[20].在大多数情况下，活性污泥中的微生物主要是细菌，尤其是异养菌占有优势地位，主要有动胶菌属和假单胞菌属（Pseudomonas）[21].研究表明，活性污泥微生物的群落结构与活性污泥的硝化作用[22]、反硝化作用[23]以及除磷[24]都有密切的关系.不同种类的微生物，在活性污泥中发挥着不同的作用.氨氧化细菌（Ammoniaoxidizingbacteria，简称AOB）和亚硝酸盐氧化细菌（Nitriteoxidizingbacteria，简称NOB）参与活性污泥对含氮污染物的去除过程[25].聚磷菌（Phosphorus-accumulatingorganisms，简称PAOs）参与活性污泥的除磷过程[26-27].发酵细菌（Fermentingmicroorganisms）则能够把复杂的有机物大分子降解成小分子，在为其他微生物提供碳源和能量的同时还可以产生丙酸、乳酸、醋酸、甲酸等工业用品[28].随着对活性污泥微生物了解的深入，人们已经可以通过不同工艺筛选不同微生物来达到相应的目的，如筛选和富集聚磷菌等细菌来优化磷营养的去除效率等[29].活性污泥微生物不仅为活性污泥法处理废水提供了可能，也是造成活性污泥法各种问题的诱因.如聚糖菌（Glycogenaccumulatingorganisms，简称GAOs）能够在厌氧条件下吸收挥发性脂肪酸，与聚磷菌竞争碳源和营养，但却无法聚磷[30].这类微生物的存在，就会使活性污泥的除磷效率下降.另外，一定量丝状菌的存在可以作为形成活性污泥絮体的骨架，有利于活性污泥絮体的稳定.但当丝状菌过量繁殖时，就会造成活性污泥膨胀，无法顺利在二沉池中沉降，从而造成污水处理效率下降[30].时至今日，活性污泥法面临的污泥膨胀和泡沫多发、能耗高、剩余污泥处置困难等挑战[31-32]都与活性污泥微生物有着紧密的联系.可见，无论是对活性污泥的有效利用还是对其引发的相关问题的防治，都离不开对活性污泥微生物的研究.而动胶菌作为活性污泥微生物菌群中的优势菌，通过对其深入的研究可以使人们对活性污泥微生物菌群的了解更加深入，从而能够更加合理地利用活性污泥来为人类服务.2动胶菌属分类学及动胶菌属细菌在活性污泥中的作用2.1动胶菌属系统分类动胶菌属名Zoogloea来自希腊语，Zoo意为“动物”，gloea为“胶”之意.该属细菌的典型特征是能够形成菌胶团.关于动胶菌属细菌的研究，最早可追溯到1854年Cohn描述并命名的一个单种属ZoogloeaCohn，该属仅包含一个种ZoogloeatermoCohn（1872年，Cohn放弃了对ZoogloeatermoCohn的命名，认为这种细菌实际上是另外一个种BacteriumtermoDujardin的一个生活型）.之后的1867年，Itzigsohn通过观察，描述了另一个种——生枝动胶菌（ZoogloearamigeraItzigsohn）.在Itzigsohn的基础上，Bloch于1918年对Zoogl