從定性到定量管理微生物 且看ATP技術(shù)在污水處理科研上的應(yīng)用

水處理網(wǎng)訊:大家好，我就是大名鼎鼎的ATP。做為生命起源的重要物質(zhì)之一，請(qǐng)先讓我通過回答哲學(xué)上的三個(gè)終極之問來介紹一下自己。

我的全名叫做三磷酸腺苷（Adenosine Triphosphate），簡(jiǎn)稱ATP。你可能對(duì)我的名字有些陌生，但我存在于一切生命體中，你的每個(gè)細(xì)胞中都大約有10億個(gè)我的小伙伴，在默默的為你儲(chǔ)存和傳遞著化學(xué)能量。

第一個(gè)ATP分子可能來自于劇烈的雷電反應(yīng)。那時(shí)候地球上的生命還沒有形成，大氣中充滿了氨氣、氧氣、磷酸鹽和碳?xì)浠衔?，和我一起誕生的還有葡萄糖、氨基酸、其他的一些核酸等等生命起源所需要的物質(zhì)。在漫長(zhǎng)的生物進(jìn)化過程中，優(yōu)秀的我打敗了其他攜帶高能磷酸鍵的化學(xué)物質(zhì)（GTP, CTP, TTP等），被細(xì)胞們所選擇并成為了今天生命體中能量傳遞的“分子通貨” 。

做為細(xì)胞內(nèi)的能量載體，當(dāng)細(xì)胞需要能量時(shí)，我能夠打破三個(gè)磷酸鍵中的一個(gè)，釋放出大量的能量并轉(zhuǎn)變?yōu)锳DP。在糖酵解或光合作用下，我又能夠與一個(gè)磷酸根相結(jié)合被充能回到ATP的狀態(tài)。

雖然每一個(gè)我的存在時(shí)間只有幾秒，但通過不斷的循環(huán)充能和放能，每天能夠被重復(fù)利用幾千次。是不是很棒？？

因?yàn)橐磺猩w（包括微生物）都含有ATP且相對(duì)含量十分穩(wěn)定，也因?yàn)锳TP能夠與熒光素快速反應(yīng)產(chǎn)生熒光，所以ATP熒光法就成為了一種十分方便快捷的微生物檢測(cè)技術(shù)。相比而言，傳統(tǒng)的微生物培養(yǎng)實(shí)驗(yàn)一般需要2-4天，不僅時(shí)間長(zhǎng)而且只能針對(duì)特對(duì)的微生物，無法滿足用戶對(duì)微生物進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)的需求。

在過去的十幾年間，ATP技術(shù)已經(jīng)被廣泛的用于食品和餐飲行業(yè)的潔凈度檢查，比如操作臺(tái)，案板等表面是否消毒徹底。相信有一部分朋友已經(jīng)見過下圖的手持式設(shè)備，我們把它定義為第一代ATP檢測(cè)技術(shù)。它的特點(diǎn)是高靈敏度，半定量，以RLU(發(fā)光度)的大小來判斷微生物是否存在或者是否足夠少，無法告訴我們ATP的實(shí)際濃度，也無法識(shí)別ATP來自于活細(xì)胞或死細(xì)胞。

手持式ATP分析設(shè)備和試劑

隨著技術(shù)的發(fā)展，微生物控制也慢慢進(jìn)入了污水處理，飲用水，工業(yè)循環(huán)水，油氣開采水等等行業(yè)。在污水處理行業(yè)，活性污泥工藝依靠微生物來去除水中的污染物，微生物的濃度和生存狀態(tài)對(duì)工藝的穩(wěn)定性具有重要的意義。如果有一種方法能夠快速的分析出污泥中活性細(xì)胞的濃度，直觀的反應(yīng)微生物的健康狀態(tài)，運(yùn)營(yíng)工程師們就能夠更準(zhǔn)確對(duì)工藝進(jìn)行調(diào)控，快速響應(yīng)工藝的變化。

ATP比VSS和TSS更能準(zhǔn)確的反應(yīng)工藝的真實(shí)狀態(tài)

正是基于這樣的需求，第二代ATP檢測(cè)技術(shù)閃亮登場(chǎng)。第二代ATP檢測(cè)技術(shù)繼承了快速、精準(zhǔn)和便攜的特點(diǎn)；不僅可以分析活性微生物細(xì)胞內(nèi)的ATP(cATP)；也可以分析因細(xì)胞死亡而釋放到外界環(huán)境的ATP (dATP)，分析結(jié)果以濃度單位ng/mL 呈現(xiàn)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)ATP的定量分析。

第二代ATP檢測(cè)設(shè)備和試劑

在污水處理的應(yīng)用上，cATP濃度體現(xiàn)了微生物新陳代謝的快慢，可用來表征污泥活性。dATP濃度可以用來判斷微生物的生存狀態(tài)；dATP占總ATP的比例越大，意味著微生物死亡的比例越高，微生物的生存環(huán)境也就越惡劣。當(dāng)微生物缺乏營(yíng)養(yǎng)，老化或來水具有高毒性時(shí)，dATP的比例就會(huì)顯著提高。

活性污泥樣品中的微生物狀態(tài)和ATP存在的形式

無論是厭氧工藝、顆粒污泥、MBBR填料、固定膜、生物發(fā)酵、以及藻類反應(yīng)器，當(dāng)你想要知道微生物的狀態(tài)時(shí)，都可以使用第二代ATP檢測(cè)技術(shù)來進(jìn)行分析。也因?yàn)槲⑸锏囊磺猩顒?dòng)都離不開ATP, 所以當(dāng)研究人員在探索新的生化反應(yīng)器、微生物菌群的遷移、毒性抑制、添加劑的增益效果以及工藝模擬和優(yōu)化時(shí)，都可以通過我來尋找直接支撐數(shù)據(jù)哦。

比如：為什么在高濃度氨氮的情況下，碳納米管的投加反而會(huì)導(dǎo)致厭氧反應(yīng)效率下降？ATP數(shù)據(jù)就揭示了碳納米管在高濃度氨氮的反應(yīng)條件下導(dǎo)致微生物活性的下降的直接證據(jù)。基于這組數(shù)據(jù)的提示，研究人員順藤摸瓜的發(fā)現(xiàn)碳納米管會(huì)擾亂鉀離子在細(xì)胞內(nèi)外的傳遞過程，高濃度的碳納米管加速了鉀離子從微生物細(xì)胞外進(jìn)入細(xì)胞內(nèi)的過程，消耗了細(xì)胞內(nèi)的能量，降低了微生物自我解毒的能力，因此影響了反應(yīng)器的效率。怎么樣，是不是有點(diǎn)驚訝我的萬能？

Wangwang Yan et al. (2019)

說到這里，我開始有一點(diǎn)期待看到你第一次分析我的時(shí)候的樣子了。要知道，很多人都是靠經(jīng)驗(yàn)和目測(cè)來判斷微生物的狀態(tài)的。雖然經(jīng)驗(yàn)也很有用，但直觀的數(shù)據(jù)總是更具有說服力，也可以減少試錯(cuò)的過程，提高工作效率。建立微生物控制的第一道防線就看你的表演了