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微生物与磷的转化及其在环境治理中的应用

 

武汉益生泉生物科技开发有限责任公司

李勤生（研究员）   王业勤（技术总监）

 

一、磷是战略性资源

        磷是生命物质的一种基本元素，它存在于生物的每个细胞中，如核酸、ATP、ADP、磷脂等物质中，也是植物生长必不可少的三大营养素之一，磷肥是农作物増产的基础。世界上84%~90%的磷矿用于生产各种磷肥，我国的磷矿消费中，磷肥占71%,黄磷占7%,磷酸盐占6%,磷化物占16%,它们在冶金工业、化学工业、食品医药工业、飼料工业上用途广泛。    

        地球上磷的來源主要是磷酸盐矿、鸟糞沉积和化石骨骼沉积。全球80%以上的磷矿资源集中分布在摩洛哥和西撒哈拉、南非、美国、中国、约旦和俄罗斯。全世界储量为620亿吨、折祘成标矿为105亿吨，但髙品位的磷矿资源有限。目前我国每年磷矿石产量6000万吨以上，如按当前采富弃贫的开采模式，百年后我国磷矿石将开采殆尽。磷矿属不可再生资源，由于其稀缺性和不可替代性，意味着磷矿资源将在未来枯竭，所以它已被我国定性为战略性资源。

1. 磷的地球化学循环

        磷的大储器是磷矿石，鸟糞石，通过人为开采利用和自然侵蚀，磷作为溶解性磷酸盐被释放到生態系统中来，为生物所利用，但很大部分放出的磷最终进入了海洋，其中一部分储存于浅海沉积物中，参与循环，一部分消失在深海沉积物中。海鳥和鱼类使磷重返循环有一定作用，但不足以补偿磷流入海洋的损失。对磷矿石的大规模开发利用，加速了磷的损失速度。

        磷在自然界的主要存在形式是有机磷化合物和不溶性磷酸盐，均为不溶解状态，不能为生物吸收利用。微生物在不溶性磷酸盐和有机磷化合物转化为可利用磷的过程中起重要作用，与此关联的细菌统称为磷细菌。由微生物参与的磷循环，磷的氧化态并未改变，磷酸基团从无机物上转移到有机物上，或从一种不溶性磷化合物转移到一种可溶性化合物上。但是，某些微生物在一定条件下，如环境中缺S0₄、N0₃、和Oz时，可利用PO₄作为终电子受体，将磷酸盐还原为磷化氢气体（PH₃),但循环规模很少。  

3. 微生物与磷形态的转化

3.1. 溶磷菌

         农业生态系统中，由于地表径流和侵蚀，以及农产品从土地上被取走，磷元素不断流失，需要每年施肥，但施到土壤中的磷肥，利用率仅为10~25%，大部分通过土壤化学反应转变为难溶的磷化合物，成为被固定的＂磷庫'。土壤中的全磷量比有效磷量髙数百倍，但被固定了的磷不能被植物吸收利用，据测这种固定化磷在我国农田中已累积达5000万吨。

        大量的研究和实践己证明，土壤中存在许多微生物能将植物难以利用的磷转化为可利用的磷。具有这种能力的微生物称为溶磷菌，它们可提高磷肥利用率，㳽补我国土壤大面积缺磷状况, 缓解磷资源迅速枯竭，为农业生产可持续发展提供物质基础。 

3.2.溶磷菌的种类

        溶磷菌种类很多，包括细菌和真菌，其转化难溶磷化合物的机制有二，其一是微生物生长繁殖过程中产生各种有机酸（如乙酸、丁酸、柠檬酸、乳酸等），有些化能自养菌如硝化单胞菌、硫杆菌分别产生硝酸和硫酸，这些酸类都能溶解一些难溶磷化合物，将其同化或被农作物吸收利用。另一种机制是溶磷菌产生磷酸酶使难溶磷化合物溶解。  

        自然环境中溶磷菌种类繁多，已報道的溶磷菌举例如下表。

                      表1. 常见溶磷菌举例

微生物名称		微生物名称
芽孢杆菌	Bacillus	假单胞菌	Pseudomonas
欧文氏菌	Erwinia	土壤杆菌	Agrobacterium
固氮菌	Azotobacter	根瘤菌	Rhizobium
黄杆菌	Flavobacterium	硫杆菌	Thiobacillus
青霉菌	Penicillium	曲霉菌	Aspergillus
根霉	Zhizopus

  

        檢测溶磷菌溶磷能力的方法有平板法、液体培养法和土壤培养等，溶解磷的能力是筛选的重要指标，但安全性是首要考虑因素，有的菌株溶磷能力强、但也是一些植物的病原菌，因此不能使用。  

        溶磷菌进入土壤后，环境条件及与土著菌群的竟争是影响作用效果的重要因素，利用微生物细胞固定化技术对溶磷菌加以保护、増强其抗逆性、提高与土著菌群的竟争力、并使作用的长期化。

3.3. 聚磷菌

        在分类系统中并没有聚磷菌的名称和檢测方法，是污水处理生物除磷微生物的界定，聚磷菌是指那些能大量积累聚磷酸盐又能积累聚-β-羟基丁酸盐的细菌统称为聚磷菌。它们能将自然水体和污水中可溶性磷转化为不可溶性多聚磷酸盐而去除，应用它们除磷是控制水体富营养化和藻华爆发的新途径。

        一般认为磷有二种存在形式，一种是发挥其生物功能的单体或寡聚体形式，另一种是用于储存磷和能量的多聚体形式。聚磷酸盐有可溶型和颗粒型，在细胞指数生长早期主要是颗粒型积累，穏定生长期积累的主要是可溶型聚磷酸盐，在真核生物中也发现有这一现象，衰老过程伴随着颗粒型聚磷酸盐的急剧减少。

        在污水厂污泥中已观测到有低分子聚磷和髙分子聚磷。与磷的释放和吸收相关的是低分子聚磷，在厌氧条件下，只有聚磷的降解；在好氧条件下，髙分子聚磷的合成和分解同时进行，低分子聚磷只有合成，没有降解。

3.4 . 聚磷菌的种类

        最初从污水厂活性污泥细胞中发现富含聚磷颗粒的是不动杆菌(Acinetobacter),聚磷酸盐含量可达细胞干重10%~25%,后来陆续发现具有聚磷能力的微生物绝大多数是细菌，现仅列其中一部分（表2）。

                           表2. 常见聚磷菌              

细菌名称		细菌名称
假单胞菌属	Pseudomonas	枯草芽孢杆菌	Bacillus  subtilis
气单胞菌属	Aeromonas	产气气杆菌	Aerobacter  aerogenes
固氮菌属	Azotobacter	分枝杆菌属	Mycobacterium
棕色固氮菌	A.vinelandii	龟分枝杆菌	M.chelonae
园褐固氮菌	A.Chroococcum	草分枝杆菌	M.phlei
诺卡氏菌属	Nocardia	沼泽红假单胞菌	Rhodopseudomonas  palustris
硝化杆菌属	Nitrobacter	深红红螺菌	Rhodospilillum rub rum
节杆菌属	Arthrobacter	着色菌属	Chromatium
棒杆菌属	Corynebacterium	氧化硫硫杆菌	Thiobacillus  thiooxidans

        在一些形成水华的蓝细菌(Cyanobacteria)细胞中也富含聚磷酸盐。

3.5. 聚磷菌除磷的生化机制

        聚磷菌独特的代谢形式把水体中可溶性磷过量摄取并转变为固态磷（细胞或不溶的聚磷酸盐化合物），从系统中排除。这个过程便称之为生物除磷。

        聚磷菌在厌氧条件下分解体内聚磷酸盐，产生ATP并将PO4 释放到环境中，利用ATP吸收基质进入细胞合成聚B-羥基丁酸盐（PHB）。聚磷菌在好氧或缺氧条件下，分解体内的聚B-羟基丁酸盐和外源基质，作为好氧代谢的碳源和能源，通过氧化磷酸化产生ATP，并利用此能量将胞外的PO4输送到体内聚合成聚磷酸盐貯存起来。 

        一般认为系统厌氧/好氧环境交替运行是生物除磷的关键条件，但在缺氧条件下，一部分聚磷菌能利用硝酸盐作为电子受体完成吸磷过程，它们被称为反硝化聚磷菌，吸磷和反硝化脱氮两个生物过程同时完成。既节省了碳源也节省了曝气所需要的能源。

3.6. 聚磷菌与水体富营养化和藻类水华的控制 

         磷是导致水体富营养化的关键元素，水体富营养化导致藻类水华的暴发是当今世界性难题，随着人口増加，社会經济发展，水体富营养化的趋势不会在短期内减弱。我国在治理湖泊水库富营养化方面已投入大量资金，但其富营养化仍未有效控制。因为，污水处理厂排出的污水水质就是富营养化的，而污泥的二次污染就更严重，只是污染物转移了地方。富含氮磷的工业污水，农田氮磷肥料过量施用而利用率低大量氮磷排入受纳水体，大规模畜禽养殖业、集约化水产养殖业排出的含髙磷高氨氮污水不断排入江河湖泊。

        以滇池为例，20多条汇水河流流经大面积磷矿区，每年被帶入滇池的磷质达31.5万吨，是世界上磷质来源最丰富的湖泊，底泥沉积物中P₂O₅平均含量达0.51%，最髙达1.92%。每年如此巨大的磷质输入和底泥磷的丰富储量，对于水体富营养化的影响是巨大的，持久的，对于滇池富营养化和以往对蓝藻水华的控制措施值得认真思考。 

        依据以往调查数字，草海上复水总磷量约为26吨，外海上复水总磷量约为218吨，这两个数字与每年入湖磷量（31.5万吨）存在巨大差距，磷到那里了？据1999年草海清淤2.88Km²，共清淤泥400万方，其中总磷1885吨，总氮8230吨，如果草海全部淸淤，总磷量近5000吨（实际上底泥磷量高于此数值），5000：26，说明磷绝大部分都到底泥中了。磷转入底泥的过程是微生物聚磷作用的结果，其中包括了水华蓝藻细胞聚磷酸盐的沉积。

        有报道指出滇池两个髙磷底质沉积物中聚磷菌的种类、数量及繁衍量远髙于水体聚磷菌，两个髙磷区磷异常主要是聚磷菌的作用，这是在自然条件下现代活微生物聚集、沉积磷的新事实，并据此提出滇池磷的现代沉积与微生物的成矿作用，这与國外学者有关磷块岩生物成矿作用理论也是一致的。但他们认为沉淀在底泥中的磷酸盐主要为水合磷酸钙（Ca₅OH(PO4)³)和水合磷酸铁Fe₃(PO4)₂•8H2O,它们在底泥中是不穏定的，溶磷菌可将其释放到水体中，磷在水体--＞底泥--＞水体中循环，当这个循环继续进行时，滇池水体富营养化污染难以根本解决。有学者提出的治理方案是在滇池中培养聚磷菌，増加聚磷菌数量，使磷向底泥沉积，将大量可溶磷变为不溶磷。但是这个设想如何具体实施和实现呢？

3.7. 我们的发现及建议

        10年前，我们在聚磷菌应用菌株培养物液体中发现了一种胞外形成的结晶颗粒，颜色为棕色或白色，大小不一，大的超过厘米 ，小的不及毫米，表明这些晶体是逐渐生长的，并且不溶于水，这些晶状体被收集保存，它们溶于浓硫酸和加热的稀酸中，经分析，它们含磷量髙达13%,相当于含40%左右聚磷酸盐，它可被苏丹黑染色。这是生物除磷的实物证据，表明磷隨活性污泥细胞排放不是唯一途径，还可以以水不溶的结晶体形式排放，这也是磷生物成矿的实物证据。

近几年来，我们又在用聚磷菌人造生物膜处理养猪污水的处理池底部收集到这类聚磷酸盐颗粒，風干物含磷量约12%,小颗粒可通过40目筛，大的有数毫米，表明这是聚磷菌生物除磷的一种形式，这些颗粒可收集起来作为磷资源使用。

为此我们建议：

        (1)在污水处理厂（包括滇池沿湖截污的污水处理厂）推广使用聚磷菌人造生物膜，截拦入湖的磷酸盐，将其转变为不溶的聚磷酸盐回收利用，减少磷进入水体，缓解水体富营养化。更为重要的是从源头上削减活性污泥的产生数量，避免污泥围城困境和二次污染，以及由此产生的污泥处置费用。

        (2)在各类污染水环境中投放不同类型的聚磷菌人造生物膜，这些聚磷菌可长期发挥作用，将污染水体的可溶磷转変为不溶性聚磷酸盐，存储在底泥中或回收利用，这样可减少水体富营养化和藻华的暴发。

        (3)加强对不同聚磷菌生物除磷及不溶性聚磷酸盐晶体形成条件的基础研究，并将研究成果应用于水环境治理实践中。