含氟有机废水处理过程活性污泥微生物群落研究进展

微生物学通报Aug.20,2019,46(8):2020−2037MicrobiologyChinaDOI:10.13344/[e-mail]:NationalNaturalScienceFoundationofChina(31770539);HundredTalentsProgramofSunYat-SenUniversity(38000-18821107);PriorityDevelopmentAreasinthe13thFive-YearPlan(38000-31650020)*Correspondingauthor:Tel:[phone];E-mail:[e-mail]:15-04-2019;Accepted:10-06-2019;Publishedonline:19-06-2019基金项目：国家自然科学基金(31770539)；中山大学百人计划项目(38000-18821107)；“十三五”优先发展领域专项(38000-31650020)*通信作者：Tel：[phone]；E-mail：[e-mail]收稿日期：2019-04-15；接受日期：2019-06-10；网络首发日期：2019-06-19专论与综述含氟有机废水处理过程活性污泥微生物群落研究进展王彬浩1,2关晓彤1,2颜庆云1,2贺志理*1,2,31中山大学环境科学与工程学院环境微生物组学研究中心广东广州5100062南方海洋科学与工程广东省实验室(珠海)广东珠海5190003湖南农业大学农学院湖南长沙410128摘要：随着有机氟化物在各领域的广泛应用，含氟有机废水处理面临巨大挑战。活性污泥作为有机废水处理的核心技术之一，微生物在其中发挥着极其重要的作用。本综述首先聚焦在活性污泥微生物群落多样性、组成、结构和功能及其与含氟废水类型、处理工艺和处理效率之间的关系，进而讨论了功能微生物降解/转化有机氟化物的途径和作用机制，最后展望了结合分离培养降解有机氟化物的关键微生物，以及微生物组学技术解析活性污泥微生物群落构建、互作、代谢等核心问题，以提高对含氟有机废水微生物降解机理的认识，优化含氟有机废水处理工艺。关键词：含氟有机废水，活性污泥，微生物多样性，微生物降解，微生物组学技术Researchprogressesofactivatedsludgemicrobialcommunitiesinfluorine-containingorganicwastewatertreatmentprocessesWANGBin-Hao1,2GUANXiao-Tong1,2YANQing-Yun1,2HEZhi-Li*1,2,31EnvironmentalMicrobiomeResearchCenter,SchoolofEnvironmentalScienceandEngineering,SunYat-SenUniversity,Guangzhou,Guangdong510006,China2SouthernMarineScienceandEngineeringGuangdongLaboratory(Zhuhai),Zhuhai,Guangdong519000,China3CollegeofAgronomy,HunanAgriculturalUniversity,Changsha,Hunan410128,ChinaAbstract:Withwideapplicationsoforganicfluoridesinvariousfields,fluoride-containingorganicwastewatertreatmentisfacinggreatchallenges.Activatedsludgetechnologiesareoneofcoremethodsforsuchawastewatertreatment,inwhichmicroorganismsplayanessentialrole.Thisreviewisfocusedonthediversity,composition,structureandfunctionofactivatedsludgemicrobialcommunitiesintheprocessoffluorinatedorganicwastewatertreatmentandtheirrelationshipswithwastewatertypes,activatedsludgecharacteristics,treatmentefficiency,degradationpathwaysandmechanismsoforganicfluoridecompoundsbyfunctionalmicroorganismsinfluoride-containingorganicwastewater.Wealsodiscussperspectivesforaddressingkeyquestionsrelatedtotheassemblyandmetabolicinteractionofactivatedsludgemicrobialcommunitiesbyisolatingkeyfunctionalmicroorganismsand/orbymicrobiometechnologies,aimingto王彬浩等:含氟有机废水处理过程活性污泥微生物群落研究进展2021Tel:[phone];E-mail:[e-mail];:Fluorine-containingorganicwastewater,Activatedsludge,Microbialcommunitydiversity,Microbialdegradation,Microbiometechnology含氟有机物由于表面张力强、耐温性能好，并具有耐燃、绝缘、润滑等特性[1]而被广泛使用，现有上万种工业合成和加工的含氟化学品流通在农药、医药等市场[2]，并与其他氟化物，包括全氟和多氟烷基物质(Per-andpolyfluoroalkylsubstances，PFASs)和全氟磺酸盐(Perfluorinatedsulfonates，PFSAs)构成了持久性有机污染物。这些化合物释放到环境后能残留在废水、地表水、泥沙及土壤中，对生态和人类健康构成威胁[3-7]。如PFASs和PFSAs自20世纪50年代大规模生产和使用以来[8-10]，在环境介质和生物体中已检测到[11-16]，并被证实能引起动物和人类致癌、不孕或其他毒性[17-19]。因此，探索上述有机氟化物的微生物降解特性和机制，提高含氟有机废水的生物处理效果，减少其在环境中的残留至关重要。利用微生物降解有机和无机污染物具有处理效率高和成本低等特点，是处理难降解有机污染废水的优选方法。活性污泥技术作为最常用的废水生物处理工艺之一，其核心是一个拥有高度复杂微生物群落的污泥生态系统，包括真核生物、细菌、古菌和病毒及相应的环境条件。在该工程系统中，活性污泥通常具有很高的生物多样性[700多个属和数千个操作分类单元(Operationaltaxonomicalunits，OTUs)][20]和生物量(一般为2−10g/L)[21]，其中常见功能菌群有EPS(Extracellularpolymericsubstances)产生菌[22-23]、除氮功能菌(Ammonia-oxidizingarchaea，AOA；Ammonia-oxidizingbacteria，AOB；Nitrite-oxidizingbacteria，NOB)[24]、聚磷菌(PolyP-accumulatingorganisms，PAO)[25]和复杂有机污染物降解菌(如脱卤菌)[26]。高度多样性的微生物群落在活性污泥絮凝体中有效地聚集在一起，通过吸附、吸收和代谢来实现污染物的去除和降解，以保证废水处理效果[20,27-28]。研究人员通过分子技术分析含氟有机废水处理过程中活性污泥微生物群落，发现污泥中变形杆菌门、拟杆菌门、绿弯菌门、放线菌门、浮霉菌门、厚壁菌门等为优势类群，且它们所占比例随条件不同而变化[29-33]，这也直接影响有机氟化物的去除效果(表1)。同时，微生物群落还调控着活性污泥的形成、发育、功能及其稳定性。例如丝状细菌(如Chloroflexi、Sphaerotilus、Thiothrix)过度生长会引起污泥膨胀；某些功能菌(如Zoogloea)消失或某些酶(如N-acylhomoserinelactone，AHL)过分表达会使污泥絮凝体解体，影响污泥沉降性能，导致出水中泥水分离不充分，降低处理效果[52-53]。因此，研究和监测微生物群落结构，特别是核心微生物组(Coremicrobiome)的活性以及菌群的互作机制，对提升活性污泥的降解性能以及整个含氟有机废水处理系统的运行效率和稳定性具有指导意义[54-59]。明确活性污泥微生物群落功能、代谢机制和降解途径对工艺设计、参数优化、生物强化、促进含氟有机废水去除效率至关重要。要矿化有机氟化物，必须破坏其稳定性较高的碳氟键(CH3-F，116kcal/mol)[60]。研究发现活性污泥微生物可通过表达脱卤酶，利用酶促反应直接脱氟，或形成不稳定的代谢中间体，间接降解多种异源化合物。然而，一些含氟产品尤其是某些抗生素药物和全氟物质，由于其本身或其代谢产物的复杂结构和毒性，很难通过生物处理实现矿化。如氟调醇(Fluorotelomeralcohols，FTOHs)在微生物作用下能转化成多氟羧酸和全氟羧酸[61]，而这些全氟烷酸(Perfluoroalkylacids，PFAAs)却易于与有机组分络合，在微生物酶的催化下钝化形成残基，无法进一步被生物转化[62]。针对此类不能被环境中微生物完全矿化的有机氟化物，2024微生物学通报Microbiol.ChinaTel:010-64807511;E-mail:[e-mail];遗传操作方法为其进一步被降解提供了潜在技术。联合微生物组学、微生物组工程和基因工程技术，设计出高表达有机氟化物降解基因或高效功能微生物组是未来生物处理难降解异源污染物的重要手段[63-64]。海洋、湖泊、河流底泥和土壤等自然环境中微生物群落特征及功能等的深入研究[65-70]，为理解生物工程系统中相关微生物学机制提供了理论基础。最近，研究人员从微生物生态学的角度报道了活性污泥微生物的多样性、功能冗余、群落组装、群落互作、代谢等机制，揭示了不同活性污泥微生物群落结构与环境参数和污染物处理效果的关系[55,71-76]。这些研究为寻找有效措施或策略来解决污水处理问题，如低效的脱氮或除磷[55,77]、污泥膨胀[78]、较差的生物降解(含氟废水)[34]提供了指导。随着对含氟废水处理过程中活性污泥微生物群落多样性、结构功能及降解机理的进一步认知，通过解析活性污泥中功能微生物群落的生态策略，一些能提高微生物在复杂工业废水中适应力的工艺和装置将被开发和应用。本综述聚焦于含氟有机废水处理过程中活性污泥微生物群落与含氟废水类型、处理工艺和性能之间的关系，讨论了功能微生物降解/转化有机氟化物的路径和