在過去的(de)(de)幾十(shi)年里，越(yue)來越(yue)多的(de)(de)環境問(wen)題引(yin)發(fa)了(le)世人(ren)對于(yu)資源問(wen)題的(de)(de)新策略制(zhi)定與(yu)(yu)思考完(wan)善，即在活性污泥工(gong)藝基礎上，從污水(shui)中回收能(neng)源與(yu)(yu)營養物(wu)質。然(ran)而(er)，截至目前(qian)，能(neng)源和(he)(he)營養物(wu)質的(de)(de)回收量仍較為有(you)限(xian)。本文所提(ti)出的(de)(de)“污水(shui)生(sheng)物(wu)煉制(zhi)列”概(gai)念(nian)，若能(neng)最(zui)大化地運用到(dao)現有(you)的(de)(de)和(he)(he)未(wei)來可能(neng)有(you)的(de)(de)信息中，則可以實現生(sheng)物(wu)能(neng)源、生(sheng)物(wu)塑料(liao)、化肥的(de)(de)可持續生(sheng)產(chan)。

一百年前(qian)，英國人Ardern和Lockett發(fa)現了活性污(wu)(wu)泥(ni)對于污(wu)(wu)水生(sheng)(sheng)(sheng)物(wu)(wu)修復(fu)過程(cheng)的重大(da)作用(yong)——該物(wu)(wu)質(zhi)可(ke)以使異養微生(sheng)(sheng)(sheng)物(wu)(wu)同化或者生(sheng)(sheng)(sheng)成氧化進水中的有機(ji)質(zhi)。曝氣后(hou)，懸(xuan)浮的微生(sheng)(sheng)(sheng)物(wu)(wu)可(ke)以利(li)用(yong)重力從處理后(hou)的污(wu)(wu)水中分離開來，大(da)部分污(wu)(wu)泥(ni)將會回流，這(zhe)一部分污(wu)(wu)泥(ni)就被稱為(wei)活性污(wu)(wu)泥(ni)。

迄今為(wei)止(zhi)，基(ji)于活性(xing)污(wu)(wu)泥(ni)(ni)法的(de)變種工藝(yi)已經在(zai)全世界污(wu)(wu)水處理廠(chang)投入運行(xing)，包(bao)括進(jin)一步的(de)除(chu)磷、硝(xiao)化—反硝(xiao)化、厭氧氨氧化以及剩余污(wu)(wu)泥(ni)(ni)的(de)厭氧消(xiao)化等工藝(yi)。但是，曝氣和回流污(wu)(wu)泥(ni)(ni)過(guo)程(cheng)中需要消(xiao)耗大量(liang)化石燃料所產生(sheng)(sheng)的(de)能源，此舉無疑(yi)又增加了大量(liang)人為(wei)的(de)溫室(shi)氣體(ti)排放。除(chu)此之外(wai)，該過(guo)程(cheng)同時(shi)還會(hui)產生(sheng)(sheng)潛在(zai)的(de)溫室(shi)氣體(ti)，如CH4和N2O。從這個角度來(lai)講，活性(xing)污(wu)(wu)泥(ni)(ni)法顯然是不可持續的(de)。

據統計(ji)，污水(shui)(shui)中蘊含著(zhu)大量的(de)(de)隱形(xing)財富(fu)，其處(chu)理過程(cheng)中所產(chan)生(sheng)(sheng)(sheng)(sheng)的(de)(de)化學能(neng)(neng)(neng)源可(ke)達用于(yu)(yu)處(chu)理污水(shui)(shui)所消(xiao)耗能(neng)(neng)(neng)源的(de)(de)10倍(bei)之多。調查人員發現，截至目(mu)前(qian)，從(cong)剩余污泥的(de)(de)厭(yan)氧消(xiao)化過程(cheng)中或從(cong)微生(sheng)(sheng)(sheng)(sheng)物(wu)(wu)燃(ran)料電池中回收的(de)(de)能(neng)(neng)(neng)量，明顯低于(yu)(yu)污水(shui)(shui)中實際包(bao)含的(de)(de)化學能(neng)(neng)(neng)源。因此，將(jiang)來(lai)從(cong)污水(shui)(shui)中回收能(neng)(neng)(neng)源的(de)(de)可(ke)持續策略，不僅能(neng)(neng)(neng)減少我們對于(yu)(yu)化石燃(ran)料的(de)(de)依賴，還(huan)能(neng)(neng)(neng)滿(man)足人們對于(yu)(yu)日常資(zi)源的(de)(de)需(xu)求，如塑料和肥(fei)料。所以，盡(jin)管污水(shui)(shui)中的(de)(de)有機成分與無機成分的(de)(de)組成依賴于(yu)(yu)進水(shui)(shui)狀況(城市污水(shui)(shui)或工(gong)業廢水(shui)(shui))，具有隨機性(xing)(xing)，但我們切不能(neng)(neng)(neng)掉(diao)以輕(qing)心，浪(lang)費(fei)可(ke)觀的(de)(de)可(ke)回收資(zi)源。基于(yu)(yu)這個角(jiao)度，本文引入(ru)了“污水(shui)(shui)生(sheng)(sheng)(sheng)(sheng)物(wu)(wu)煉(lian)制列(lie)”的(de)(de)理念，該理念是將(jiang)不同生(sheng)(sheng)(sheng)(sheng)態位工(gong)程(cheng)運(yun)用到未來(lai)污水(shui)(shui)處(chu)理工(gong)藝中，使(shi)不同微生(sheng)(sheng)(sheng)(sheng)物(wu)(wu)產(chan)生(sheng)(sheng)(sheng)(sheng)不同針對性(xing)(xing)的(de)(de)富(fu)集，同時還(huan)可(ke)以對能(neng)(neng)(neng)源和資(zi)源進行(xing)綜(zong)合回收。

當前：基于活性污泥法的微生物和生物化學認識

長期(qi)以來，由于污水處理過程中的(de)(de)微生物群落(luo)結構與功(gong)能在很大程度上不(bu)為(wei)(wei)人所知，一直被視(shi)作“黑箱(xiang)”。對(dui)于污泥中的(de)(de)微生物，早(zao)期(qi)研究大多(duo)數包括經典(dian)(dian)的(de)(de)分(fen)離(li)法和(he)利用光(guang)學顯微鏡對(dui)特定(ding)細菌(jun)群體進行形態鑒定(ding)(如絲狀菌(jun))。運用經典(dian)(dian)微生物培養技術，發現不(bu)動桿菌(jun)屬(shu)(Acinetobacter spp.)有(you)可能與磷的(de)(de)去除有(you)關，亞硝(xiao)化(hua)螺菌(jun)屬(shu)(Nitrosospira spp.)被認為(wei)(wei)是(shi)關鍵的(de)(de)氨氧(yang)化(hua)菌(jun)，硝(xiao)化(hua)桿菌(jun)屬(shu)(Nitrobacter spp.)是(shi)最主要的(de)(de)亞硝(xiao)化(hua)菌(jun)，生絲微菌(jun)菌(jun)屬(shu)(Hyphomicrobium spp.)是(shi)關鍵的(de)(de)反硝(xiao)化(hua)細菌(jun)。

過(guo)(guo)去(qu)幾(ji)十年，經過(guo)(guo)對(dui)16S rRNA 基因(yin)序列(lie)檢索的深度研(yan)究(jiu)，已排除不動桿(gan)菌(jun)(jun)(jun)屬(shu)(shu)是(shi)除磷過(guo)(guo)程的主(zhu)要(yao)參與者。截至目前(qian)，一種(zhong)屬(shu)(shu)于β變形桿(gan)菌(jun)(jun)(jun)(Beta-proteobacteria)、未能進行純培養和(he)分類的菌(jun)(jun)(jun)屬(shu)(shu)，稱作Candidatus Accumulibacter phosphatis (CAp)，在實(shi)(shi)驗室規模和(he)實(shi)(shi)際污水處理廠規模的反應(ying)器中，已經被證實(shi)(shi)是(shi)一種(zhong)主(zhu)要(yao)的聚磷菌(jun)(jun)(jun)(PAO)。不僅如此(ci)，隨后的分子(zi)生物學研(yan)究(jiu)也(ye)證實(shi)(shi)，聚糖菌(jun)(jun)(jun)(GAO)是(shi)Cap在污泥(ni)厭氧/好氧循(xun)環過(guo)(guo)程中的主(zhu)要(yao)競爭對(dui)手(shou)。其中包(bao)括一種(zhong)屬(shu)(shu)于γ變形桿(gan)菌(jun)(jun)(jun)(Gamma-proteobacteria)新型的菌(jun)(jun)(jun)種(zhong)，叫做Candidatus Competibacter phosphates ，還有(you)屬(shu)(shu)于α變形桿(gan)菌(jun)(jun)(jun)(Alpha-proteobacteria)的其他菌(jun)(jun)(jun)種(zhong)。

至(zhi)于氮(dan)(dan)素(su)的(de)(de)(de)循環過程(cheng)，利用(yong)(yong)分子生(sheng)(sheng)物(wu)(wu)學方(fang)法已經確(que)定新的(de)(de)(de)“參與者(zhe)”，包括(kuo)不同類型的(de)(de)(de)氨氧化(hua)(hua)菌(jun)(jun)，硝化(hua)(hua)螺狀的(de)(de)(de)微生(sheng)(sheng)物(wu)(wu)作為(wei)(wei)主要的(de)(de)(de)亞硝化(hua)(hua)菌(jun)(jun);水生(sheng)(sheng)螺菌(jun)(jun)屬(shu)(Aquaspirillum)、 固氮(dan)(dan)弧(hu)菌(jun)(jun)屬(shu)(Azoarcus)、索(suo)氏菌(jun)(jun)屬(shu)(Thauera)和聚磷菌(jun)(jun)(如(ru)CAp)為(wei)(wei)主要的(de)(de)(de)反硝化(hua)(hua)菌(jun)(jun)。最近，研究者(zhe)又發現屬(shu)于齊古(gu)菌(jun)(jun)門(Thaumarchaeota)的(de)(de)(de)古(gu)細(xi)菌(jun)(jun)也對于好氧氨氧化(hua)(hua)具有催化(hua)(hua)作用(yong)(yong)。在(zai)實(shi)際污(wu)水處理過程(cheng)中，氮(dan)(dan)素(su)循環的(de)(de)(de)過程(cheng)會更加復雜(za)，如(ru)已證實(shi)能進行厭氧氨氧化(hua)(hua)。這些生(sheng)(sheng)物(wu)(wu)屬(shu)于浮霉狀菌(jun)(jun)門(Planctomycetes)，并被(bei)暫時命(ming)名為(wei)(wei)“Candidatus Kuenenia stuttgartiensis”

近年來，學者們(men)在污水生(sheng)(sheng)物(wu)處理(li)過(guo)程中微(wei)生(sheng)(sheng)物(wu)的(de)(de)(de)生(sheng)(sheng)理(li)生(sheng)(sheng)態(tai)學方面做(zuo)了(le)大量(liang)研究(jiu)，發現采用(yong)(yong)熒(ying)光原位雜交(jiao)法(fa)(fa)外加(jia)顯微(wei)放射自顯影技術(MAR—FISH)能(neng)使(shi)特定(ding)微(wei)生(sheng)(sheng)物(wu)直接可視化(hua)，并(bing)能(neng)將碳(tan)、氮和(he)磷(lin)等基質的(de)(de)(de)轉化(hua)聯(lian)系起(qi)來。利用(yong)(yong)MAR—FISH能(neng)研究(jiu)PAOs和(he)GAOs關(guan)于(yu)碳(tan)源(yuan)的(de)(de)(de)競爭，還能(neng)制定(ding)模型。在厭(yan)氧(yang)(yang)狀態(tai)下(xia)，PAOs吸收有(you)機(ji)碳(tan)源(yuan)(如(ru)揮(hui)發性脂(zhi)(zhi)肪酸(suan))，并(bing)將其以聚(ju)羥基脂(zhi)(zhi)肪酸(suan)(PHAs)形式存儲(chu)起(qi)來。當處于(yu)有(you)氧(yang)(yang)條(tiao)(tiao)件(jian)(jian)下(xia)時(shi)，PAOs氧(yang)(yang)化(hua)PHAs，所獲(huo)能(neng)量(liang)供給(gei)聚(ju)磷(lin)酸(suan)鹽(yan)的(de)(de)(de)吸收積累，使(shi)得(de)磷(lin)元(yuan)素通過(guo)回流污泥從污水中除去。在厭(yan)氧(yang)(yang)條(tiao)(tiao)件(jian)(jian)下(xia)，GAOs和(he)GPOs競爭揮(hui)發性脂(zhi)(zhi)肪酸(suan)用(yong)(yong)于(yu)PHA的(de)(de)(de)合成，而且在好氧(yang)(yang)的(de)(de)(de)條(tiao)(tiao)件(jian)(jian)下(xia)GAOs并(bing)不積累聚(ju)磷(lin)酸(suan)鹽(yan)，而是(shi)將能(neng)量(liang)用(yong)(yong)于(yu)糖類(lei)(lei)的(de)(de)(de)積累。通過(guo)MAR—FISH法(fa)(fa)和(he)染色法(fa)(fa)，證(zheng)實(shi)了(le)細胞內PHA或者聚(ju)磷(lin)酸(suan)鹽(yan)的(de)(de)(de)積累就是(shi)聚(ju)合物(wu)存儲(chu)或循環的(de)(de)(de)過(guo)程。其他運用(yong)(yong)MAR—FISH的(de)(de)(de)研究(jiu)則論證(zheng)了(le)聚(ju)脂(zhi)(zhi)菌(jun)(jun)(LAOs)生(sheng)(sheng)態(tai)學的(de)(de)(de)潛能(neng)，例如(ru)微(wei)絲(si)菌(jun)(jun)屬(Candidatus Microthrix parvicella)能(neng)夠在厭(yan)氧(yang)(yang)的(de)(de)(de)條(tiao)(tiao)件(jian)(jian)下(xia)吸收并(bing)存儲(chu)脂(zhi)(zhi)類(lei)(lei)物(wu)質，同時(shi)強調了(le)此(ci)類(lei)(lei)絲(si)狀菌(jun)(jun)相(xiang)對于(yu)其他菌(jun)(jun)種的(de)(de)(de)優勢，即其他菌(jun)(jun)種不能(neng)在厭(yan)氧(yang)(yang)條(tiao)(tiao)件(jian)(jian)下(xia)吸收脂(zhi)(zhi)類(lei)(lei)。

值(zhi)得注意的(de)(de)(de)(de)是，高分辨率的(de)(de)(de)(de)分子生物學(xue)(xue)方(fang)(fang)法的(de)(de)(de)(de)進(jin)步，即所謂的(de)(de)(de)(de)宏基(ji)(ji)(ji)因(yin)(yin)(yin)組學(xue)(xue)，允(yun)許在微生物群落的(de)(de)(de)(de)構成與功能之間繪(hui)制具(ju)體(ti)的(de)(de)(de)(de)聯系。例如(ru)，通過識別控制梯(ti)形(xing)烷合(he)成的(de)(de)(de)(de)基(ji)(ji)(ji)因(yin)(yin)(yin)、確定Candidatus Kuenenia stuttgartiensis中聯氨的(de)(de)(de)(de)新(xin)陳(chen)代謝，宏基(ji)(ji)(ji)因(yin)(yin)(yin)組學(xue)(xue)研究能揭示出一些神秘的(de)(de)(de)(de)微生物表型性狀。在實際(ji)污水生物處理廠(chang)所進(jin)行的(de)(de)(de)(de)宏基(ji)(ji)(ji)因(yin)(yin)(yin)組學(xue)(xue)研究，強調關鍵(jian)物種(zhong)參考基(ji)(ji)(ji)因(yin)(yin)(yin)的(de)(de)(de)(de)需(xu)要，以通過最新(xin)實驗室研究來解釋實際(ji)數據。在這種(zhong)情況下(xia)，宏基(ji)(ji)(ji)因(yin)(yin)(yin)組或單個(ge)細胞基(ji)(ji)(ji)因(yin)(yin)(yin)序(xu)列數據，可以有(you)效(xiao)地用來推測有(you)益(yi)菌種(zhong)的(de)(de)(de)(de)基(ji)(ji)(ji)質(zhi)配方(fang)(fang)和(he)生長(chang)狀況。

宏(hong)基因組(zu)(zu)學(xue)的(de)研(yan)究很(hen)大(da)程(cheng)(cheng)度上促(cu)進了(le)我(wo)們對于有(you)(you)益菌種群體功(gong)能的(de)了(le)解(jie)，比(bi)如宏(hong)蛋白質組(zu)(zu)學(xue)、環(huan)境(jing)轉錄(lu)組(zu)(zu)學(xue)以(yi)(yi)及二者之間的(de)聯系，使得我(wo)們對不同環(huan)境(jing)條(tiao)件(jian)下(如好氧/厭(yan)氧階(jie)段(duan))關(guan)鍵(jian)過程(cheng)(cheng)中(zhong)的(de)相(xiang)關(guan)基因的(de)具體表(biao)現形式有(you)(you)了(le)進一步的(de)了(le)解(jie)。因此，在時間和(he)(he)空間上整合(he)(he)“生(sheng)(sheng)物組(zu)(zu)學(xue)”，并與(yu)(yu)物理化學(xue)參數相(xiang)結(jie)合(he)(he)，便可重新(xin)構(gou)建與(yu)(yu)界定生(sheng)(sheng)態(tai)網絡和(he)(he)有(you)(you)機生(sheng)(sheng)態(tai)位(wei)。這(zhe)些信息可能是鑒(jian)別(bie)微生(sheng)(sheng)物群體結(jie)構(gou)與(yu)(yu)功(gong)能的(de)關(guan)鍵(jian)的(de)決定性(xing)因素，可以(yi)(yi)用于從污水中(zhong)進行(xing)綜合(he)(he)的(de)能源和(he)(he)資源回收。

未來：利用污水中微生物回收能源和資源

如今，我(wo)們已(yi)經能夠鑒別出大(da)量(liang)的(de)微生物群落(luo)，并從(cong)多組學(xue)的(de)分析研究中，獲(huo)得了前所未有的(de)數據。在活性污(wu)泥(ni)法(fa)一百(bai)年之(zhi)際，尋求一種新(xin)的(de)生物污(wu)水處理法(fa)顯(xian)然已(yi)經時機成熟。因此，我(wo)們可(ke)以開始(shi)考慮(lv)自下而上(shang)的(de)設(she)計(ji)方法(fa)，而不是(shi)像(xiang)目(mu)前這樣分步的(de)自上(shang)而下的(de)方法(fa)。

在(zai)這(zhe)里，我們(men)(men)特(te)地(di)(di)引進(jin)(jin)(jin)(jin)了“污水(shui)生(sheng)(sheng)(sheng)物(wu)煉制列(lie)”的(de)(de)(de)概(gai)念(nian)。依據一(yi)種(zhong)(zhong)(zhong)假定(ding)的(de)(de)(de)自(zi)下(xia)而(er)上(shang)的(de)(de)(de)設計方法(fa)，看看在(zai)環境(jing)發(fa)生(sheng)(sheng)(sheng)的(de)(de)(de)變化(hua)時(shi)候，微(wei)生(sheng)(sheng)(sheng)物(wu)是(shi)怎(zen)樣轉化(hua)并積(ji)累成不(bu)同類型(xing)的(de)(de)(de)有(you)益化(hua)合物(wu)的(de)(de)(de)。所以，這(zhe)種(zhong)(zhong)(zhong)特(te)定(ding)的(de)(de)(de)生(sheng)(sheng)(sheng)態位(wei)(wei)工(gong)程(cheng)(cheng)能幫助我們(men)(men)從污水(shui)中(zhong)大(da)量回收(shou)高價值資源。我們(men)(men)可(ke)(ke)以通(tong)過以下(xia)途徑，來實(shi)現(xian)這(zhe)種(zhong)(zhong)(zhong)生(sheng)(sheng)(sheng)態位(wei)(wei)工(gong)程(cheng)(cheng)：(1)污水(shui)中(zhong)建立(li)不(bu)同的(de)(de)(de)基(ji)(ji)質梯度(du)(du)，以此(ci)拓寬個(ge)體(ti)(ti)生(sheng)(sheng)(sheng)態位(wei)(wei);利(li)用微(wei)生(sheng)(sheng)(sheng)物(wu)不(bu)同的(de)(de)(de)沉降(jiang)速度(du)(du)來實(shi)現(xian)其垂直分(fen)布(bu)，沉降(jiang)速度(du)(du)與微(wei)生(sheng)(sheng)(sheng)物(wu)/絮體(ti)(ti)的(de)(de)(de)大(da)小(xiao)以及胞(bao)內存儲化(hua)合物(wu)有(you)關(guan);回收(shou)微(wei)生(sheng)(sheng)(sheng)物(wu)中(zhong)的(de)(de)(de)能源和(he)(he)營(ying)養物(wu)質。科(ke)學家過去在(zai)實(shi)驗室規(gui)模的(de)(de)(de)反(fan)應器(qi)(qi)中(zhong)，已經(jing)獲得(de)了此(ci)類有(you)益菌種(zhong)(zhong)(zhong)的(de)(de)(de)富(fu)集體(ti)(ti)，尤其是(shi)PAOs和(he)(he)GAOs，通(tong)過給予合適(shi)的(de)(de)(de)環境(jing)條件，可(ke)(ke)以增加富(fu)集這(zhe)些菌種(zhong)(zhong)(zhong)的(de)(de)(de)可(ke)(ke)能性。隨著宏基(ji)(ji)因組學的(de)(de)(de)不(bu)斷進(jin)(jin)(jin)(jin)步，我們(men)(men)能夠更加精確地(di)(di)定(ding)義各種(zhong)(zhong)(zhong)菌種(zhong)(zhong)(zhong)的(de)(de)(de)生(sheng)(sheng)(sheng)態位(wei)(wei)，從而(er)使這(zhe)些菌種(zhong)(zhong)(zhong)能應用到未來的(de)(de)(de)循(xun)環系統中(zhong)。考慮(lv)到污水(shui)構(gou)成的(de)(de)(de)多樣性和(he)(he)動(dong)態性，生(sheng)(sheng)(sheng)態位(wei)(wei)可(ke)(ke)能還(huan)需(xu)要不(bu)斷的(de)(de)(de)調(diao)整。微(wei)生(sheng)(sheng)(sheng)物(wu)燃(ran)料電池可(ke)(ke)以用作生(sheng)(sheng)(sheng)物(wu)傳感(gan)器(qi)(qi)，生(sheng)(sheng)(sheng)態位(wei)(wei)可(ke)(ke)以通(tong)過它的(de)(de)(de)反(fan)饋來進(jin)(jin)(jin)(jin)行(xing)微(wei)調(diao)，從而(er)可(ke)(ke)以對進(jin)(jin)(jin)(jin)水(shui)有(you)機物(wu)和(he)(he)無(wu)機物(wu)構(gou)成進(jin)(jin)(jin)(jin)行(xing)連(lian)續的(de)(de)(de)檢(jian)測。

對當前可再生能源的探索中，作為一種潛在的方案，生物柴油有望部分替代石油燃料。當下，生物柴油生產成本與相關的原料成本占到了85%。而污水中可皂化的油脂很容易轉化為生物柴油，因此，污水中蘊含的物質可與生物能源直接相關。在城市污水中，油脂類可以占到總有機碳的41%，其中絕大多數是三酰甘油酯(TAG)，小部分是游離的長鏈脂肪酸。需要特別注意的是，污泥中這些長鏈脂肪酸的組成范圍主要在C14到C18之間，這是生產甲酯理想的環境。由于疏水性，污水中脂類物質通常吸附在顆粒上，并且不易提取。然而，LAOs釋放胞外脂肪酶可將脂類水解，水解產物能被細菌高效同化。根據本文的“污水生物煉制列”的概念，絲狀聚酯菌的生物量在頂部積累。鑒于絲狀菌對脂質的高度累積，以及生物柴油能從聚脂菌中直接產出，同時經濟上可行，因而從污水中提取生物柴油擁有巨大的潛力。令人關注的是，在生物柴油生產過程中，TAG的副產物——甘油可以進一步被利用合成PHA，從而實現污水中TAG的完全和高效利用。

PHA的(de)(de)(de)(de)(de)合(he)成(cheng)發(fa)生(sheng)(sheng)(sheng)在活性(xing)(xing)污(wu)泥的(de)(de)(de)(de)(de)微生(sheng)(sheng)(sheng)物中。來自污(wu)水的(de)(de)(de)(de)(de)PHAs在工業上可(ke)用于(yu)(yu)(yu)合(he)成(cheng)可(ke)降解的(de)(de)(de)(de)(de)、與化學合(he)成(cheng)聚丙(bing)烯有相(xiang)似的(de)(de)(de)(de)(de)熱力學性(xing)(xing)能的(de)(de)(de)(de)(de)生(sheng)(sheng)(sheng)物塑(su)料。此外，PHAs可(ke)在酸的(de)(de)(de)(de)(de)催化作(zuo)用下(xia)，水解為生(sheng)(sheng)(sheng)物燃料羥基丁酸甲酯(hydroxybutyrate methyl ester)。所以，來自污(wu)水的(de)(de)(de)(de)(de)PHAs可(ke)作(zuo)為一種可(ke)再生(sheng)(sheng)(sheng)資(zi)源(yuan)用于(yu)(yu)(yu)塑(su)料生(sheng)(sheng)(sheng)產，整個PHA生(sheng)(sheng)(sheng)產鏈條(tiao)的(de)(de)(de)(de)(de)資(zi)源(yuan)耗費僅占(zhan)(zhan)總(zong)生(sheng)(sheng)(sheng)產成(cheng)本(ben)的(de)(de)(de)(de)(de)50%。PHAs的(de)(de)(de)(de)(de)微生(sheng)(sheng)(sheng)物積累非(fei)常迅速(約5小時)和(he)顯(xian)著。由于(yu)(yu)(yu)PAOs和(he)GAOs能在厭氧(yang)/好氧(yang)條(tiao)件(jian)下(xia)交互合(he)成(cheng)PHAs，在一定的(de)(de)(de)(de)(de)環(huan)境(jing)條(tiao)件(jian)下(xia)，針(zhen)對性(xing)(xing)的(de)(de)(de)(de)(de)對一些菌種富(fu)集可(ke)將PHA連同發(fa)酵產物和(he)磷酸鹽或糖元(yuan)一起回收。污(wu)水處(chu)理廠中PAOs能占(zhan)(zhan)到總(zong)細菌生(sheng)(sheng)(sheng)物量(liang)35%，實(shi)驗室研究表明，由于(yu)(yu)(yu)PAOs與GAOs有著不(bu)同的(de)(de)(de)(de)(de)細胞密度，前(qian)者有著更快的(de)(de)(de)(de)(de)沉降速率。利用這些屬性(xing)(xing)分離這兩類微生(sheng)(sheng)(sheng)物，就(jiu)可(ke)以實(shi)現(xian)針(zhen)對性(xing)(xing)的(de)(de)(de)(de)(de)資(zi)源(yuan)回收。由此，我們(men)也可(ke)以預(yu)期(qi)，通過建立密度梯度，如操縱沉降時間，GAOs將會(hui)占(zhan)(zhan)據(ju)“污(wu)水生(sheng)(sheng)(sheng)物煉制列”中間層(ceng)，PAOs將會(hui)占(zhan)(zhan)據(ju)下(xia)層(ceng)。

盡管污水(shui)處理(li)廠對(dui)發(fa)酵(jiao)細菌的(de)(de)(de)(de)(de)研究較少，但不(bu)能忽視的(de)(de)(de)(de)(de)事實是發(fa)酵(jiao)細菌有助(zhu)于(yu)復(fu)雜的(de)(de)(de)(de)(de)高分(fen)子化合物(wu)(wu)水(shui)解(jie)為(wei)(wei)低分(fen)子量的(de)(de)(de)(de)(de)底物(wu)(wu)，進而為(wei)(wei)其(qi)他微生(sheng)物(wu)(wu)提供能源和(he)碳素。發(fa)酵(jiao)細菌的(de)(de)(de)(de)(de)分(fen)解(jie)產物(wu)(wu)有丙酸、乳酸、乙(yi)酸和(he)甲酸等。令人關注的(de)(de)(de)(de)(de)是，運用發(fa)酵(jiao)處理(li)生(sheng)產酒精或有機(ji)酸的(de)(de)(de)(de)(de)過程可以和(he)生(sheng)物(wu)(wu)柴油、生(sheng)物(wu)(wu)塑(su)料(liao)的(de)(de)(de)(de)(de)生(sheng)產過程相結合——因(yin)為(wei)(wei)兩(liang)個(ge)過程都需要有機(ji)溶劑。最重(zhong)要的(de)(de)(de)(de)(de)是，從GAO中獲取的(de)(de)(de)(de)(de)糖原(yuan)也可以用于(yu)合成一(yi)種重(zhong)要生(sheng)物(wu)(wu)燃料(liao)——生(sheng)物(wu)(wu)乙(yi)醇。

利(li)用(yong)從污(wu)(wu)水(shui)中(zhong)回收的(de)(de)(de)營養物質(主(zhu)(zhu)要為N和P)生(sheng)產(chan)的(de)(de)(de)再(zai)生(sheng)化肥(fei)(fei)，目前(qian)已(yi)占到當前(qian)農(nong)業化肥(fei)(fei)總(zong)需求量(liang)的(de)(de)(de)30%。一(yi)項全球性的(de)(de)(de)估(gu)計表(biao)明(ming)，化肥(fei)(fei)生(sheng)產(chan)消(xiao)耗了世界能源(yuan)的(de)(de)(de)1.2%(其(qi)中(zhong)92.5%用(yong)于(yu)N和3%用(yong)于(yu)P)，約占人為溫室氣(qi)體總(zong)排(pai)放量(liang)的(de)(de)(de)1.2%。所以(yi)，我們要是將富含(han)PAO的(de)(de)(de)污(wu)(wu)泥用(yong)作肥(fei)(fei)料，具有巨大的(de)(de)(de)潛力(li)。不過(guo)，將污(wu)(wu)泥用(yong)于(yu)農(nong)業肥(fei)(fei)料的(de)(de)(de)一(yi)個(ge)主(zhu)(zhu)要限制(zhi)因素就是其(qi)中(zhong)重(zhong)金屬的(de)(de)(de)含(han)量(liang)。然而，越(yue)來越(yue)多的(de)(de)(de)證據表(biao)明(ming)，吸附劑(如礦渣)有著較高(gao)的(de)(de)(de)重(zhong)金屬吸附能力(li)，可以(yi)為含(han)重(zhong)金屬污(wu)(wu)水(shui)提供了一(yi)種廉價(jia)的(de)(de)(de)處理方案。

除了富(fu)含PAO的(de)(de)(de)(de)(de)(de)污(wu)(wu)(wu)泥，污(wu)(wu)(wu)水(shui)處理廠常見的(de)(de)(de)(de)(de)(de)礦物(wu)(wu)沉(chen)淀——磷(lin)酸(suan)銨鎂(MgNH4PO4•6H20)，也是(shi)一種商(shang)業(ye)化生(sheng)產(chan)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)化肥(fei)。估計表(biao)明，在(zai)污(wu)(wu)(wu)水(shui)處理廠內，100m3的(de)(de)(de)(de)(de)(de)污(wu)(wu)(wu)水(shui)可以生(sheng)產(chan)1kg的(de)(de)(de)(de)(de)(de)磷(lin)酸(suan)銨鎂。磷(lin)酸(suan)銨鎂溶解(jie)度低，富(fu)含N元素和(he)P元素，這使得它(ta)具有用作化肥(fei)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)優勢，同(tong)時它(ta)能減少營(ying)養(yang)物(wu)(wu)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)流(liu)失(shi)和(he)限制水(shui)體(ti)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)富(fu)營(ying)養(yang)化。污(wu)(wu)(wu)水(shui)低濃度的(de)(de)(de)(de)(de)(de)懸浮固體(ti)和(he)高(gao)濃度的(de)(de)(de)(de)(de)(de)氨(an)和(he)磷(lin)酸(suan)鹽可以促進磷(lin)酸(suan)銨鎂的(de)(de)(de)(de)(de)(de)合成。因(yin)此，通過維持污(wu)(wu)(wu)水(shui)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)高(gao)離子水(shui)平(ping)同(tong)時不斷回收生(sheng)物(wu)(wu)量組(zu)分(fen)(例如從不斷增長(chang)種群回收)來加(jia)快(kuai)磷(lin)酸(suan)銨鎂的(de)(de)(de)(de)(de)(de)生(sheng)產(chan)，這將是(shi)“污(wu)(wu)(wu)水(shui)生(sheng)物(wu)(wu)煉制列”中另一個可實現(xian)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)目標。

在N素回收用(yong)作化肥生產的背景下，聚(ju)硝酸鹽(yan)菌(能生長在各(ge)種(zhong)不同生態環(huan)境)或(huo)許也能有助于N素的利用(yong)。截至目(mu)前，盡管現有的研究尚(shang)未描述(shu)活(huo)性污(wu)泥(ni)工藝中硝酸鹽(yan)的積累過程(cheng)，但(dan)可將其看作化肥生產的一個顯著氮源。在基于活(huo)性污(wu)泥(ni)工藝的污(wu)水處(chu)理廠內，選擇性的富(fu)集策略可以鑒別積累硝酸鹽(yan)的微(wei)生物。

在(zai)過(guo)去的(de)(de)幾十年里(li)，越來(lai)越多的(de)(de)環境問題引發了(le)世人對于資(zi)源(yuan)(yuan)問題的(de)(de)新策(ce)略(lve)制定與(yu)思(si)考完善，即在(zai)活性(xing)污泥工藝基(ji)(ji)礎(chu)上(shang)，從(cong)污水中(zhong)回收能(neng)(neng)源(yuan)(yuan)與(yu)營(ying)養物質。然而，截至目(mu)前，能(neng)(neng)源(yuan)(yuan)和(he)營(ying)養物質的(de)(de)回收量仍(reng)較(jiao)為有(you)限。本文所提出的(de)(de)“污水生(sheng)(sheng)物煉制列”概念，若能(neng)(neng)最大化地運用現(xian)有(you)的(de)(de)和(he)未來(lai)的(de)(de)可(ke)能(neng)(neng)有(you)的(de)(de)信息(xi)(微(wei)生(sheng)(sheng)物和(he)它(ta)們的(de)(de)代(dai)謝類型基(ji)(ji)因(yin)技術研究)，則(ze)可(ke)以(yi)實(shi)現(xian)生(sheng)(sheng)物能(neng)(neng)源(yuan)(yuan)、生(sheng)(sheng)物塑料、化肥的(de)(de)可(ke)持續生(sheng)(sheng)產(chan)。為了(le)實(shi)現(xian)這(zhe)(zhe)個目(mu)標，我們首先(xian)應該詳細了(le)解生(sheng)(sheng)物群落組成中(zhong)，各(ge)類微(wei)生(sheng)(sheng)物的(de)(de)生(sheng)(sheng)態位(wei)信息(xi)。一(yi)旦獲(huo)得這(zhe)(zhe)些信息(xi)，參(can)考它(ta)們各(ge)自的(de)(de)生(sheng)(sheng)態位(wei)，就(jiu)可(ke)以(yi)以(yi)一(yi)種(zhong)自下而上(shang)的(de)(de)設計方法(fa)(重(zhong)新)優化污水處(chu)理流程(cheng)，而不是(shi)以(yi)目(mu)前這(zhe)(zhe)種(zhong)自上(shang)而下的(de)(de)策(ce)略(lve)在(zai)活性(xing)污泥發現(xian)一(yi)百年之際，本設想對于微(wei)生(sheng)(sheng)物生(sheng)(sheng)態學(xue)家(jia)和(he)工程(cheng)師來(lai)說(shuo)是(shi)一(yi)項巨大的(de)(de)挑戰。為了(le)實(shi)現(xian)這(zhe)(zhe)一(yi)設想，我們還有(you)很長的(de)(de)路要走。

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