水生所在活性污泥菌膠團形成機制研究中獲進展

活性污泥法及其衍生改良工藝是市政污水和工業廢水凈化處理的主流技術，動膠菌等微生物是構成活性污泥中菌膠團的主要成分。污泥菌膠團可通過重力沉澱下來，實現泥和水的分離，凈化後清水經消毒處理即可排出，無需過濾。活性污泥中的微生物利用曝氣提供的氧氣，迅速地將溶解在污水中的污染物質降解或轉化，為己所用，從而實現污水的快速高效凈化。在自然界需要4~6個星期才能完成的凈化過程，在污水處理廠依靠活性污泥菌膠團只需4~6個小時即可完成。

菌膠團的形成是活性污泥法成功的關鍵。菌膠團形成菌及其產生的膠質狀胞外多聚物（簡稱EPS）是菌膠團形成所必需的「黏合劑」。EPS種類多樣、結構複雜。然而，活性污泥也容易發生「膨脹」，漂浮在水面，不能通過重力沉降下來，隨出水流失，影響出水水質和凈化效果。活性污泥膨脹歸因於絲狀菌的過量生長（稱為絲狀菌膨脹）和菌膠團形成菌EPS過量合成（粘性膨脹）。

中國科學院水生生物研究所研究員邱東茹帶領的團隊開展了對微生物菌膠團形成的分子機制研究。他們分別從武漢和香港的城市污水處理廠分離得到喜樹脂動膠菌（Zoogloea resiniphila），進行了基因組測序和分析，揭示了這一活性污泥優勢細菌屬的碳、氮和磷代謝的一些特點，通過分子遺傳學分析，鑒定了與菌膠團形成相關的一個大型基因簇，發現其中兩個編碼天冬醯胺合成酶的旁系同源基因在菌膠團形成過程中具有重要功能。結合前人和國內外同行研究成果，他們提出了活性污泥法的新概念模型（An et al., 2016. Water Research 102: 494-504）。

最近，該團隊以從湖北某自來水廠水井中分離純化的菌膠團形成菌——解叔丁醇水居菌（Aquincolatertiaricarbonis）RN12菌株為研究材料，鑒定了與菌膠團形成相關的大型EPS基因簇、sigma因子RpoN1（σ54）等基因，確定RpoN1是菌膠團形成的主要調控基因之一。有趣的是，該基因插入突變株中所合成的大量胞外多糖被分泌和溶解到培養基中，不能包裹細菌細胞群形成菌膠團。分析發現RpoN1並不影響胞外多糖合成基因的轉錄，說明RpoN1所調控的基因在表達後通過某種機制使胞外多糖鏈緊密地結合在細菌群體的表面以形成菌膠團，而不是直接調控EPS的合成。RN12菌株具有rpoN1、rpoN2、rpoN3和rpoN4 等四個旁系同源基因，但只有RpoN1能調控菌膠團的形成，並且調節該菌株的群集運動（Swarming motility）和生物被膜形成（Biofilm formation）。

這一研究工作以RpoN (σ54) is required for floc formation but not for extracellular polysaccharidebiosynthesis in a floc-formingAquincolatertiaricarbonis strain 為題已於5月12日在線發表在美國微生物學會期刊《應用與環境微生物學》（Applied and Environmental Microbiology）上。

這些科學發現為揭示活性污泥微生物菌膠團形成機理和脫氮除磷工藝作用原理打下了良好的基礎，對活性污泥膨脹的控制、剩餘污泥減量和資源化利用等新技術開發具有參考意義。

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圖1 從武漢市江夏污水處理廠活性污泥中分離的喜樹脂動膠菌顯微鏡照片（左圖放大200倍；右圖放大600倍；An et al., 2016）

圖2 活性污泥菌膠團形成機制和活性污泥法原理示意圖

圖3 野生型菌株RN12（A）和菌膠團缺失突變株（B）顯微觀察（放大1000倍，標尺為10微米）

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