細菌之間，有個能「打電話」的區域網

04-27

近年來，每到夏季，太湖、巢湖、滇池和許多大小湖泊和水庫、甚至水流速度慢的江段頻繁出現藍藻水華爆發現象，水面上覆蓋一層厚厚的「綠油漆」。而有些藍藻產生肝毒素、威脅飲用水和水產品的安全性，令人談虎色變。

圖1 水華現象（圖片來自網路）

為了治理水華，科學家和工程師們想了很多的辦法。活性污泥法，是目前我國市政污水和工業廢水凈化處理的主流技術。活性污泥微生物可有效去除污水中的有機物、氮磷營養和重金屬等污染物。超過90%的市政污水和50%的工業廢水處理採用該技術。

活性污泥法是如何工作的呢？曝氣、泥水重力分離和污泥回用是活性污泥法三要素。如圖2所示，將廢水與活性污泥（微生物）混合攪拌並曝氣，在曝氣池中特殊微生物逐漸形成污泥菌膠團，污泥微生物就把污染物吃掉。在二次沉澱池中，污泥菌膠團藉助重力沉澱下來，實現泥水分離。凈化後的清水經消毒處理即可排出。

圖2 活性污泥法原理示意圖

在這個過程中，活性污泥微生物菌膠團形成，無疑是活性污泥法成功的關鍵。菌膠團是細菌及其分泌的膠質組成的細小顆粒（圖3），是活性污泥的主體，污泥的吸附性能、氧化分解能力及凝聚沉降等性能取決於菌膠團。

許多重要的活性污泥微生物，包括聚磷菌和硝化細菌，都有可能形成菌膠團。而菌膠團形成菌所產生的膠質狀胞外多聚物（簡稱EPS）是活性污泥菌膠團形成所必需的「黏合劑」。

圖 3 喜樹脂動膠菌所形成的菌膠團的顯微照片（放大600倍）

那麼，活性污泥菌膠團是如何形成的呢？近期，中科院水生所邱東茹學科組研究就針對這個問題進行了研究。

科研人員發現，動膠菌等活性污泥菌可利用細胞質膜上的PrsK感受器激酶，接收未知信號，激酶發生自我磷酸化並將磷酸基團傳遞給響應調節蛋白PrsR，被活化後PrsR調節結合到PEP-CTERM基因啟動子上游的增強子上，然後與結合在啟動子上的RpoN sigma因子互作，從而啟動PEP-CTERM基因的轉錄，合成信使RNA，隨後PEP-CTERM得以大量表達（圖4）。

圖4 動膠菌等活性污泥微生物菌膠團形成和信號傳導途徑示意圖

在這個過程中，很多很多單個細菌細胞通過「打電話」進行相互協作，把自身合成的胞外多糖當成網線，把PEP-CTERM蛋白質當成網線交織的網節，這種網狀物質就一層層地把微生物細胞包裹起來，就形成了菌膠團。這樣一來，這些零零星星的散兵游勇聚集起來變為戰鬥力強大的集團軍，可供來回調遣、反覆衝鋒陷陣，凈化污染、除磷脫氮。

科研人員還發現，菌膠團不僅可以抵抗原生動物捕食、保護細菌，可能還有其他未知功能。希望不久的將來可以徹底揭開菌膠團形成之謎。「有意栽花花不發」，活性污泥法發明之前，雖然發現曝氣供氧對水質有所改善，但由於起凈化作用的微生物數量少，效率太低。「無心插柳柳成蔭」，活性污泥法發明者無意中利用某些微生物形成菌膠團的特性富集大量的微生物參與凈化，輔以曝氣，污水的凈化過程得以人工強化。

當我們深入理解活性污泥微生物菌膠團的形成過程和調控機制以後，就可以對活性污泥技術進行改進，不但提高污染凈化效率，還希望減少剩餘污泥產生量。此外，可以提高污泥的可利用性，更好地分解和利用剩餘污泥，比如生產生物塑料、肥料和生物柴油，並可利用菌膠團形成菌資源開發新技術；還可進一步提高活性污泥除磷脫氮的能力，減少出水對受納水體氮磷營養的輸入，降低並最終避免藍藻水華的爆發。

作者：高娜、夏明、戴景程

來源：中國科學院水生生物研究所