磷是生命活动的必需元素，然而人类活动导致的磷过量排放已成为严峻挑战，严重威胁水生生态系统稳定与人类健康。磷资源主要来源于矿产开采，其中约5%用于生活与工业生产，其余约95.0%作为化肥支撑农业发展。
尽管污水处理厂已采用生物聚磷、化学沉淀、吸附等工艺处理生活和工业高磷废水，但大部分磷仍以化肥、农药、除草剂的形式随农业径流直接进入水生环境，引发水体富营养化问题广泛发生。
磷不仅是污染物，更是保障全球粮食安全的不可或缺资源，同时也是所有生命形式的必需营养元素。但电化学法、化学沉淀法等传统磷回收技术，受限于水体中磷浓度低、导电性不足的特点，无法有效从污水处理厂出水和地表径流中回收磷。
在此背景下，磷吸附富集回收技术凭借其高富磷能力、解吸便捷的优势应运而生，为减轻磷污染环境影响、应对下个世纪即将到来的全球磷资源短缺问题提供了极具前景的解决方案。
### 图1 磷的生产、利用与环境归趋
矿产开采获得的磷经加工后，其中5.0%通过植物转化为满足城市需求的各类必需产品，使用后磷酸根经污水处理厂排入环境；而占比95.0%的磷用于生产化肥，在农业生产中大量施用，过量的磷在土壤和水体中累积，经雨水冲刷后进入水生生态系统，每年约有10.47 Tg磷由此引发水体富营养化，对生态系统和人类健康构成双重威胁。
除资源循环利用外，在污水处理厂中使用吸附剂、对湖滨底泥进行填料改良，可有效阻止磷进入水生生态系统。目前，吸附剂再生难题制约着深度除磷技术的可持续应用，凸显出开发适用于自然环境的磷去除工艺的迫切性。括号内红色文字为不同磷源对天然水体的贡献占比，磷矿产量详细数据见补充数据1。
精密磷固定技术通常采用镧、铝、锆、铁等金属的氧化物和氢氧化物，这类材料通过静电引力与磷酸根结合，并借助配体交换机制形成单齿或双齿配合物，从而实现水溶液中磷的高效捕获。
根据吸附化学计量比，去除一定量的磷需要等摩尔量的金属-氧化物活性位点。为提高活性位点密度，现有研究主要聚焦于材料的纳米工程化改造，以及将纳米材料分散负载于载体表面，该类方法已实现材料单位质量除磷能力的提升。
但纳米材料的实际应用，尤其是在富磷地表径流修复中，存在一定的生态毒理风险，且面临分离困难的问题；更重要的是，吸附剂达到吸附饱和后，需使用强酸或强碱进行活性位点再生，这不仅增加了除磷成本，还延长了再生工艺周期。因此，亟需开发一种既能高效捕获水溶液中的磷，又能实现吸附磷快速解吸与储存的技术，从而推动金属-氧化物活性位点的再生与磷资源的回收。
微生物具备调控元素形态的显著能力，可促进元素在不同形态间的转化。巨大芽孢杆菌便是典型案例，该菌株已在工程领域实际应用，能催化混凝土内碳酸钙的沉淀，实现建筑结构裂缝的原位修复，其核心机制为：微生物代谢将尿素分解为铵根和碳酸根离子，微生物表面的负电荷吸附钙离子，进而与碳酸根离子结合形成方解石。
磷是微生物代谢途径的核心元素，因此微生物可通过分泌磷酸酶更易实现磷的活化，并利用活化后的磷完成自身增殖。
受此启发，青岛大学生命科学学院牛玉生团队以及清华大学环境学院张弓团队合作提出“生物催化磷固定”技术思路，整合两大功能：利用工程化材料高效吸附水溶液中的磷，同时借助微生物驱动实现吸附磷的解吸与储存，进而有效再生吸附活性位点；更重要的是，被吸附的磷可便捷转化为聚磷酸盐并储存于微生物细胞内，为磷资源回收提供便利。
基于本研究提出的生物催化磷固定理念，综合考虑成本效益与吸附效率，选取锆基材料作为吸附活性位点，进而合成了镧锆二元金属氧化物负载玄武岩吸附材料，用于水体磷的吸附。
经微生物增殖与体系稳定后，先进分析技术验证了该材料中磷的快速解溶过程：微生物通过自身活性将材料中难溶性矿物磷转化为可溶性正磷酸盐。
本研究阐明了其核心作用机制，包括微生物分泌有机酸实现胞外磷解吸、以及微生物的胞内磷代谢过程。结合分离培养与生物信息学分析发现，解磷菌伯克霍尔德氏菌属可促进镧锆负载玄武岩中磷的解吸，为其他微生物提供可利用磷源，进而实现微生物群落结构的稳定。
本研究开发的材料使磷去除效率提升至原有水平的10倍。农业面源污染水体现场应用试验表明，微生物强化型镧锆负载玄武岩柱可实现全年持续除磷，出水水质稳定满足0.2 mg/L的严格标准；通过高温焚烧工艺，可高效回收体系中的富磷产物，同时实现玄武岩基质的重复利用。
与传统化学药剂相比，微生物强化型镧锆负载玄武岩体系更具经济优势，可通过减少温室气体排放、缓解淡水富营养化、降低水体酸化程度及对生态系统和人类健康的毒性，大幅减轻环境影响。该体系的优异效能使其成为污水处理厂和地表径流磷资源循环利用的核心解决方案，为保护水生生态系统及其生产力提供有力支撑。
牛玉生，博士，教授，博士生导师，青岛大学特聘教授，青岛大学优秀共产党员、优秀教师；山东省高校黄河流域盐碱地综合治理和高质量发展协同创新中心主任，山东省首批土壤污染防治专家库入库专家，黄三角盐碱地现代农业产业创新研究院院长，青岛市合成生物智造与盐碱地改良工程研究中心主任，青岛大学前沿交叉学科研究院院长，东营职业学院科技处副处长（挂职）；曾任吉林省有色金属地质勘查局驻赞比亚办事处主任（主持工作）。
基础研究：微生物抗逆机制及工程改造研究、耐盐碱作物新品种培育等方面。
应用研究：耐盐/嗜盐菌剂研发及应用；盐碱地综合治理规划、设计、施工。大棚果蔬种植（草莓、西红柿等）土壤病虫害生物防治、土壤次生盐渍化及土壤板结生态修复；土壤重金属污染生态修复。黑臭水体原位生态修复；水体重金属、新污染物生态修复；医疗废水抗性病原菌消杀及抗性基因消除。
近五年主持国家重点研发计划子课题、山东省自然基金及横向课题研究近20项，总经费2000余万元；成果转化四项，转化金额近400万元；在Adv. Mater、Sci. Total Environ、Adv. Energy Mater、Anal. Chem、Adv. Optical Mater、JCIS、Carbon等国内外著名期刊发表高水平论文50余篇，其中高被引论文2篇，中科院分区一区论文20余篇；申请或授权发明专利38项；获得省部级科技奖励2项，山东省教育厅科学技术奖1项；获颁团体技术标准2项；指导学生获评大学生“挑战杯”省赛二等奖1项、国际大学生创新创业大赛金奖、银奖各1项。
https://www.nature.com/articles/s44221-025-00582-w
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