污水处理作为一项关键的环境工程，在保护环境、维护生态平衡及保障人类健康方面具有重要作用。随城市化进程加快和人口增长，污水排放量急剧增加，仅2022年中国污水排放量就达到约625.8亿m3，污水处理技术的研究和应用成为环境科学领域的热点。物理、化学和生物等传统污水处理技术虽然在污染物去除方面取得了一定成效，但面对日益复杂的污染物成分和不断提高的排放标准，其局限性逐渐显现。物理方法通常难以处理溶解性污染物，化学方法可能产生二次污染，生物方法则受限于微生物的代谢能力和环境适应性。在此背景下，通过增强原有生物处理法的代谢能力，从而有效提升污水处理效率的生物强化技术应运而生，展现出在当前污水处理需求下的广阔应用前景。

1、生物强化技术的原理与机制

1.1 概述

生物强化技术是指通过引入特定活性菌株或微生物菌群以提高去除受污染基质（土壤或其他生物群落）中污染物能力的技术。该技术的提出可追溯到20世纪50年代，最初主要应用于工业发酵和农业生产领域，凭借操作简单、针对性强、成本低、高效等优点逐渐成为污水处理领域的研究重点，并在各类污水处理实践中得到广泛应用。

传统生物污水处理技术利用微生物对特定物质的高效代谢能力，代谢降解污水中污染物。由于污水中微生物种类及其降解能力有限，该技术难以应对多种类或高浓度污染物。而生物强化技术将从环境或实验室分离培养的特定一种或多种微生物引入自然活性污泥中，增强了微生物群落的代谢功能，可以达到降解污水中复杂污染物的目的。如图1所示，生物强化技术不仅提高了微生物群落对广泛污染物的降解能力，还增强了其对恶劣环境的抗逆性。

在生物强化技术中使用的微生物需满足：1）能对特定污染物进行彻底降解，并具有一定抗逆性；2）在活性污泥中具有一定生存竞争能力，且能适应本土菌群；3）添加的菌种不能为人类病原体或与病原体相关。这些条件确保了生物强化技术在实际应用中的有效性、安全性和可持续性，减少了对环境和人类健康的潜在风险。

1.2 作用机理

生物强化技术在污水处理中的应用主要基于3种作用机制：高效菌种的直接作用、共代谢作用和群体感应作用，这些机制共同作用有效提升了生物强化技术对污染物的处理效果。

1.2.1 直接作用

直接作用是指利用特定菌种产生的关键酶将污染物转化为较低毒或无害的代谢物质。A.TERADA等经分离和筛选获得一株具有氰化物降解能力的芽孢杆菌EBE-2，该菌株通过特有的氰化物降解腈酶有效地将氰化物代谢降解成甲酸。李志琳等从柴油沉积物中筛选分离出一株沙雷氏菌属菌株J-3，该菌株具有高效的柴油降解能力，其在最适生长条件下对柴油的降解率可达62.0%；通过基因比对发现，该菌株含有的烷烃羟化酶基因alkB和长链烷烃羟化酶基因almA可以产生对应酶降解代谢柴油。徐伟超等在A2/O系统中使用喹啉降解菌Ochrobactrumsp.KDQ3强化处理焦化废水，提高了对COD的去除率。特定菌种的直接作用不仅能减少污染物的毒性，而且有助于实现对污染物的完全降解，为环境保护和污染治理提供了有效的生物技术手段。

1.2.2 共代谢作用

共代谢作用是指当环境中存在易被微生物利用的一级基质（主要碳源）时，微生物能对原本无法利用的二级基质（难降解污染物）进行分解代谢的过程。该过程能有效降解传统方法难以处理的污染物。共代谢主要分为3种作用类型：二级基质共同氧化、微生物协同作用和休眠细胞降解。共代谢作用具有以下特点：1）二级基质的代谢产物通常不能支持微生物生长，甚至可能产生毒害作用；2）需要一级基质提供必要的碳源和能量；3）一级基质和二级基质之间存在竞争抑制；4）降解二级基质的关键酶是由微生物代谢一级基质诱导产生的。陈浩然等在活性污泥系统中投加乙酸钠作为共代谢基质，有效缓解了苯酚对微生物的毒害作用，促进了其他微生物的增殖，提高了系统对高浓度苯酚的代谢及降解能力。高通量测序表明，共代谢基质并不能恢复因受污染物冲击而被破坏的微生物多样性，但其能调动微生物群落降解传统方法难以处理的污染物。通过合理选择共代谢基质和优化环境条件，可以提高微生物对目标污染物的降解效率，同时需要考虑微生物群落结构和功能的长期稳定性。

1.2.3 群体感应作用

群体感应是微生物群体内的一种通讯机制。微生物通过自发分泌被称为自动诱导物的信号分子相互交流，引导其他微生物参与到代谢降解过程，形成协同作用，从而提高整个微生物群落的活性和稳定性。群体感应作用的能力取决于特定范围及环境中所含微生物的数量和密度，表现为细胞密度依赖基因表达。在污水处理系统的活性污泥中，随微生物群落数量增加，分泌的信号分子积累至一定浓度会触发群体感应，促使微生物群落协同工作，这不仅提升了整个系统对污染物的降解能力，而且增强了污泥的抗逆性。GuangfengYANG等在向经土霉素冲击的厌氧氨氧化系统中投放信号分子产生菌后，系统的修复速度显著加快，且氨氧化能力显著增强。群体感应作用为微生物群落提供了一种有效的交流和协同机制，微生物能更有效地应对环境挑战，提高污水处理系统的稳定性和效率。

2、生物强化技术在污水处理中的应用

目前在污水处理工艺中，常见的生物技术强化方式主要包括添加预适应纯菌株、预适应菌群以及携带相关生物降解基因的工程菌等，生物强化技术的应用方式及流程分别见图2和图3。这些生物技术强化方式各有优势，具体选择应综合考虑污水处理需求、污染物类型以及预期处理目标等。

2.1 预适应纯菌株的应用

在生物强化技术应用初期，筛选获得的预适应纯菌株因对目标污染物具有操作直接、处理效果好等特点成为研究和实践的焦点。将具备特定污染物降解能力的功能性微生物菌株引入污水处理系统，可优化微生物群落结构，提升微生物群落多样性，并诱导形成优势降解菌群，实现对污水中难降解污染物的高效转化与去除。蔡天明等将筛选的一株中间苍白杆菌JGD-6bi制成菌剂，该菌株能高效降解高浓度二甲基砜，有效处理化工污水中的有机污染物。杨倩通过富集培养筛选出一株能降解对甲基苯磺酸（PTS）的细菌QY7-2，其对农业废水中PTS的去除率高达91.43%。YaohuiBAI等将锰氧化细菌QJX1用于降解地下水污染物，该菌株不仅提高了本土菌群异生代谢基因和锰氧化基因的相对丰度，而且促进了用于间接去除污染物的铁锰氧化物的形成，其可进一步氧化和吸附其他污染物；该研究证实，外源功能菌的引入并非必须直接参与代谢目标污染物，也可通过间接方式强化系统对污染物的代谢能力。

预适应纯菌株应用策略的优势在于其针对性强，能高效降解特定污染物。然而，该策略也需考虑预适应纯菌株在污水处理系统中的适应性、稳定性以及与其他微生物的相互作用。W.IKEDAOHTSUBO等应用反硝化细菌旋氏假单胞菌TR2对养猪废水处理系统的反硝化池进行生物强化，中试结果表明，投加的TR2菌株仅能存活2~5d；这一结果揭露了在菌株投加后持续监测与系统调整的必要性，同时也表明需通过优化菌种筛选、培养条件和投加策略来提升生物强化技术的稳定性与适用性。

基于预适应纯菌株的生物强化技术在污水处理领域展现出巨大潜力，为实现其长期稳定运行，仍需深入研究微生物菌株的选择、培养、投放及其与系统内原有微生物群落的相互作用，进一步提升该技术在污水处理中的效率和应用潜力。

2.2 预适应菌群的应用

当污水中存在多种难降解污染物时，单一菌种已难以满足处理需求，预适应菌群凭借其协同降解能力，成为一种有效的生物强化方式。通过将多种针对不同污染物的高效处理菌以一定比例共同培养形成复合菌群，利用菌种间的多条代谢途径协同作用，实现对多种污染物的降解。构建的复合菌群不仅能有效降解污水中污染物，其微生物间复杂的相互作用还维持了系统的动态平衡，显著增强了系统对环境波动的适应性与稳定性。此外，菌群内部的共生关系也有助于消除降解产物或副产物产生的反馈抑制，对提升复杂污染物的降解效率具有重要意义。当前菌群构建方式主要有两种，分别是通过环境筛选构建和通过宏基因组构建。环境筛选构建方式主要利用环境变量（如温度、pH、污染物种类）筛选需要的菌种，该方式因技术成熟且操作简单，在污水处理中获得广泛应用。但该构建方式只考虑了微生物对污染物的降解效能，往往忽略了菌群内部复杂的微生物相互作用，容易导致复杂问题的发生。宏基因组构建则是利用高通量测序和代谢组学等技术获取菌群中各个微生物的基因组信息，预测其功能和代谢途径，模拟构建菌群中个体之间的代谢关系，从而获得最优方案。这种构建方式可以模块化地构建所需菌群，若将其扩展到更多样的生物系统中，则需深入理解微生物的代谢途径和相互作用方式。

蔡文娟针对污水处理厂主要污染物（油脂、氮、磷），筛选了3株高效菌株——铜绿假单胞菌YZ-1、施氏假单胞菌FX-4和产酸克雷伯氏菌CP7，经优化配比混合培养后投加至污水处理系统，油脂、总磷和总氮等污染物的去除率较对照组平均提高了20%。HaileiWANG等通过向序批式反应器中接种优良混合菌群处理造纸废水，不仅缩短了污泥混合菌群驯化时间，还提高了反应器的处理效率，同时增强了反应器对高容积负荷的承受能力。晋银佳等筛选对酚类具有抗性的特效菌群用于处理兰炭废水，特效菌群不仅能有效降低兰炭废水毒性，而且对COD和有机氮的去除率分别达到62.19%和56.90%。

预适应菌群在污水处理领域具有很大应用潜力。通过合理选择和配比菌种，可以精确有效地降解不同污染物，实现代谢途径的模块化组装和优化。

2.3 基因工程技术的应用

随生物技术和分子生物学的发展，将目的基因整合至微生物中构建基因工程菌，并应用于生物强化已成为可能。当处理系统缺乏降解目标污染物或有毒代谢物的微生物时，可通过对微生物添加或修改编码分解代谢酶功能的基因，或通过改变启动子和终止子等元件增加目的基因拷贝数的方式来提高目的基因的表达水平，以改善微生物的降解性能。RuofeiJIN等通过向大肠杆菌中导入偶氮还原酶基因，获得了具有高效降解高偶氮染料能力的基因工程大肠杆菌JM109，其在印染废水处理中展现出良好脱色效果，该应用方式可直接获得高效菌种，优化了生物强化技术的前期菌种筛选过程。郑杨春等构建了同时表达汞转运系统和谷胱甘肽-金属硫蛋白融合基因的大肠杆菌JM109，该菌株可在低汞环境中富集汞离子，将其添加到生物反应器中，除汞率达90%以上。ZhuangKE等对氯苯胺分解代谢质粒pDCA-1进行工程改造，扩大了该质粒的分解底物范围，提高了其在多种菌株中的适应性，展现了遗传生物强化的潜力。

也可通过水平基因转移方式对污水系统进行生物强化。首先，向外源或本土微生物中转入含有可降解目标污染物的重组质粒或基因移动元件形成基因工程菌，然后，将基因工程菌转回污水处理系统，通过基因移动元件进行水平基因转移，将目的基因转入本土菌群中，获得对金属/抗生素的抗性、分解代谢潜力、广泛底物利用能力、高抗逆性等性状，实现对环境中污染物的降解和净化。与直接利用基因工程菌降解污染物不同，水平基因转移策略更侧重于将功能基因转移到更具环境适应性的合适宿主中，而不是依赖于外源微生物。SiyanZHAO等在对有机卤化物污染场地进行生物强化修复时发现，有机卤化物呼吸细菌的脱卤性状可以通过一种独特的质粒pSULSP水平转移至微生物群落中，证实该机制可在厌氧环境中实现对有机卤化物降解基因的生物增强。N.MCCLURE等在实验室规模活性污泥污水处理单元引入了携带非自我传播质粒pD10的恶臭假单胞菌UWC1，尽管该菌株存活稳定（8周），但系统降解3-氯苯甲酸的能力并未提升；同时，污泥中另一种含有质粒pD10的微生物Pseudo⁃monasputidaPaW340经培养后具有更高的3-氯苯甲酸分解率，表明活性污泥中存在可有效接收质粒pD10并表达功能基因的本土受体菌。综上，基因工程在生物强化技术中具有巨大应用潜力，通过精确编辑基因，可创造具备特定降解功能的微生物，不仅能直接提升处理效率和效果，还能通过水平转移增强本土菌群的适应性，使目的基因在菌群中更广泛地传播。

然而，构建和使用基因工程菌时引起的伦理问题和不稳定性问题一直是研究和监管的重点。由于基因工程菌投放到环境中的安全性难以评估，该方法的应用多停留在实验室阶段。为控制潜在风险，可采取在向工程菌引入目的基因的同时，将可诱导工程菌自杀的基因整合到微生物中，如噬菌体裂解基因和细胞膜去稳定基因，当目标污染物被消除或满足预设环境条件时，这些自杀基因可被诱导激活，导致工程菌程序性死亡，防止它们在环境中不可控扩散。在基因工程微生物投入大规模应用前，安全评价是必要的，且持续监测和改进对确保基因工程菌的安全应用至关重要。

2.4 本土微生物的应用

在生物强化污水处理过程中，传统添加外源菌种的方法需要一定适应和培养时间，而系统中本土微生物由于对原环境适应性强，一般能在环境中稳定存在并发挥主导降解作用或促进本土菌群代谢。因此，利用本土微生物进行强化即自生生物强化，成为一种新兴策略。该方法通过获取原环境中的本土微生物，经驯化或基因工程改造后，再将其投放回原污水处理系统，从本质上改变了本土微生物的菌群结构，提升了降解微生物的多样性或相关降解基因的丰度。

K.WATANABE等从本土活性污泥中分离出丛毛单胞菌rN7，在导入苯酚羟化酶及其转录调控因子基因后，将菌种重新引入活性污泥系统，该菌种对苯酚的降解能力显著提高。JibingLI等的研究表明添加内源微生物不动杆菌LJ-5虽未参与对目标污染物菲的降解，但却改变了原生菌群中菲降解细菌的生物多样性，提升了系统对菲的降解能力。C.J.V.D.GAST等从重金属污水中筛选出由密执安棍状杆菌、中嗜甲基细菌、红球菌和恶臭假单胞菌组成的本土菌群，将该菌群接种回活性污泥后，菌落结构发生自主优化，对目标污染物的处理能力大幅提高，其COD总负荷比对照组降低了80%，处理能力提高了30%~40%。利用本土微生物强化不仅能直接或间接提升系统对污染物的降解能力，还避免了添加外源微生物可能面临的适应性和生存问题，显著优化了菌种在环境中的定殖过程。

2.5 新兴技术的应用

固定化微生物技术和膜生物反应器（MBR）等新兴技术的发展为生物强化废水处理提供了新的发展方向。固定化微生物技术是一种通过物理或化学方法将微生物固定在如海藻酸盐、羧甲基纤维素钠等特定载体上，以增强微生物对污染物的降解能力和系统稳定性的方法。与传统悬浮生长系统相比，固定化微生物技术在减少微生物流失和提高反应器稳定性方面表现更优，但可能面临载体选择和成本效益的挑战。MBR技术是一种将生物处理工艺与膜分离技术相结合的先进废水处理技术，通过将半透膜（通常为微滤或超滤膜）直接集成到生物反应器中，实现生物降解和固液分离同步进行。该技术能有效去除废水中的有机物、悬浮固体、氮、磷以及部分溶解性污染物。尽管MBR技术在废水处理中展现出显著优势，但其高能耗问题，尤其是在膜清洗和更换过程中产生的能耗，仍是一个亟待解决的挑战。当前研究正致力于开发更高效的膜材料和清洗技术，以降低整体运行成本。

LiuzhouCHEN等将混合菌群固定在聚氨酯泡沫载体上，用于处理合成乳制品废水，处理能力提高至90%。JingJI等将嗜水气单胞菌LZ-MG14引入MBR，该菌株不仅提升了系统对孔雀石绿和六价铬的降解能力，还成为优势菌种，与本土微生物群落形成稳定共生关系。A.MAZUMDER等利用包埋技术将解烃菌嗜吡啶红球菌F5固定在海藻酸盐微球中，用于强化降解石油污染废水中的烃类化合物，烃类化合物降解率从（79±0.03）%提升至（86±0.028）%；当向微球中掺入活性炭后，降解率进一步提升至（95±0.02）%。XuanYU等将固定在海藻酸钠-高岭土中的芸苔假单胞菌LZ-4应用于活化污泥反应器，该生物强化策略降低了铬对微生物群落的影响，提高了反硝化菌种的丰度。

上述研究案例共同证实，将固定化微生物技术、MBR与生物强化策略集成应用在废水处理领域展现出突出优势。集成技术不仅能提高对污染物的去除效率，还能降低能源消耗，为环境保护和资源回收提供了切实可行的技术途径，有望在未来环境管理和污染控制中发挥重要作用。

3、生物强化技术的优点

生物强化技术在污水处理领域具有显著优势。该技术不仅能提高活性污泥对污染物的降解能力，降低生物处理过程中产生的污泥量，增强微生物活性和对异常状态的抗逆性，扩宽对多种物质的利用能力，而且还能提高菌落结构稳定性，降低处理成本，减轻对环境的影响。因此，一种有效的生物强化技术不仅需成功处理特定污染物，还需快速降低污水毒性，防止生态系统崩溃。XianheCAO等将分离出的异养硝化好氧反硝化菌株AlcaligenesaquatilisAS1应用于高强度猪舍废水处理系统，该菌株显著提高了系统的脱氮效率，并提升了活性污泥对冲击负荷的抵抗力，展示了生物强化技术在快速降低污水污染物浓度和防止生态系统崩溃方面的重要潜力。

4、面临的挑战与解决策略

生物强化技术在污水处理中的应用也面临诸多挑战。在实际应用过程中，可能出现环境因素（如极端pH、温度或营养物质条件）抑制其效果；接种微生物时还需应对原生生物对外源微生物的捕食、外源微生物与本土微生物竞争营养物质、次生代谢物对外源微生物造成毒害等影响，生物强化效果具有不可预测性。P.THOBEJANE等通过高通量测序得出活性污泥微生物群落受地点、工艺和季节因素的影响。鉴于环境条件、微生物群落结构和生态动力学系统的复杂性，未来研究需深入理解微生物群落结构、生态动力学与环境条件的相互作用及其对污水处理效果的影响，以开发更高效、环境友好的生物强化策略。

在生物强化技术应用于水处理领域时，经济可行性和成本效益分析也是不可忽视的关键因素，尤其是在长期运行的生物强化系统中，在维持其高效性和稳定性的同时，控制和优化运营成本显得尤为重要，使用外源菌种进行生物强化时的接种量或额外营养物质补充都增加了该生物强化策略的总体成本。JianyangSONG等在处理苯胺等难降解污染物时，在系统中添加了苯胺降解菌株AD4，在保证处理效率的基础上，通过优化反应器曝气量等运行条件，实现了低成本且高效的生物处理操作。为降低系统的运行成本，当前研究正致力于探索技术优化的可能性，以提高系统的经济性和可持续性。

5、总结与展望

生物强化技术因在降解难降解污染物、改善污泥性能和提高系统耐冲击能力方面具有显著优势，逐渐成为污水处理领域的关注焦点。近年来，分子生物学和生物工程的快速发展为生物强化技术在污水处理中的应用提供了新机遇。基于荧光检测、组学技术、单细胞测序、空间转录组学和高通量测序等应用，生物强化技术有望在以下几个方面取得突破性应用：

1）深入分析和了解活性污泥在降解污染物过程中的生态动态变化和代谢途径，为建立明确的生物强化技术应用目标提供科学依据；

2）在制定生物强化方案时，需综合考虑菌株选择、投入方式及在生物反应器中的活性维持策略，这有助于优化生物强化技术的性能，确保其在污水处理系统中的有效性和稳定性；

3）通过构建污水处理系统模型，模拟实际应用中可能遇到的情况，构建微生物之间的相互作用网络，理解不同微生物的协同工作机制，以提高对污水处理效率，并为生物强化方法提供系统评估依据；

4）通过对基因工程菌株进行生物安全性认证，确保其环境应用的安全性和可控性，将更多生物强化技术方案从实验室规模应用到实际污水处理系统中，针对特定处理情况制定技术方案，解决实际问题。这些方面的突破性应用，将有助于充分发挥生物强化技术在水污染治理方面的潜力，实现有效的水质净化和环境保护，为污水处理领域带来革命性进步。