揭示昼夜动态变化对海水养殖废水处理中电强化藻-菌共生系统群落组装的动态影响

《Environmental Research》：Revealing the dynamical effects of diurnal dynamics on community assembly in the electro-enhanced algal-bacterial symbiosis system for mariculture wastewater

电增强藻菌共生系统在光暗周期调控下处理高盐养殖废水的COD去除率均超过72.9%，其中H2周期（8L:4D）总氮去除率达82%，显著优于H1（67%）和H3（68.8%）。研究揭示光周期通过改变微生物群落选择机制（H2呈现随机选择特征，R2=0.54）和关键功能菌（Tropicibacter 8.7%、Nitrogeniibacter 12.4%）丰度，增强藻菌协同作用及反硝化效率（提升22.16%），验证了光周期诱导的生态记忆效应。

　　

刘勋豪|张倩|王洪宇|李萌|陈佳静|何琦|董晓倩

武汉理工大学土木工程与建筑学院，中国武汉，430070

摘要

本研究评估了不同光照-黑暗周期（H1-0L:12D；H2-3.5L:8.5D；H3-8L:4D）对电增强藻-细菌共生系统中海水养殖废水降解和氮去除的内在影响。虽然化学需氧量（COD）的去除率相当（>72.9%），但H2系统的总氮去除率达到了82%，优于H1（67%）和H3（68.8%）。三种系统之间氮去除性能的差异主要归因于H1和H3系统中传统硝化和反硝化功能的显著受损。光照/黑暗周期的变化导致了微生物群落复杂性和结构的变化。随着光照时间的延长，微生物群落的组装方式从确定性选择（R2 = 0.356，H1）转变为随机选择（R2 = 0.567，H3）。重要的是，H2系统作为一种独特的平衡机制（R2 = 0.54），通过以（8.7%）和（12.4%）为主的随机选择的微生物群落增强了细菌-藻类的协同作用和反硝化性能（反硝化效率提高了22.16%），这表明光照周期诱导了生态记忆效应。这些发现为实现高效的海水养殖废水处理提供了工程化的光周期控制方法。

引言

近年来，随着对海产品的需求持续增长，海洋渔业资源逐渐枯竭，导致水产养殖业的迅速扩张。因此产生了大量的海水养殖废水（MW）（Chu等人，2025年）。MW的主要成分包括含氮代谢物、剩余饲料、用于疾病控制的药物以及其他污染物，其盐度约为3%（Li等人，2023年，2024a年）。如果未经适当处理直接排放，将不可避免地导致海洋富营养化，最终影响人类健康（Wang等人，2023年）。显然，由于生物方法具有可持续性和成本效益，比物理化学方法更适用于MW的处理（Zhu等人，2022年）。然而，MW的低C/N比和高盐度是一个难题（Zhao等人，2025年）。低C/N比通常会导致生物氮去除不足，尤其是在反硝化过程中缺乏碳源时（Ni等人，2024年），而高盐度则常常导致微生物细胞质壁分离甚至死亡（Li等人，2018年）。

藻-细菌共生系统（ABSS）结合了微藻和功能性细菌群落，被认为是处理MW的合适生物方法（Chu等人，2025年）。微藻利用光能将CO?和水转化为有用的物质，部分碳源来自细菌呼吸释放的CO?（Li等人，2022年）。细菌依赖微藻释放的氧气进行代谢，并分泌维生素B12来支持微藻的生长（Gao等人，2022年）。然而，MW中的高盐度和低C/N比可能会阻碍藻-细菌联合体（ABC）的形成（Liu等人，2025a年）。研究人员最初研究了电化学生物系统对废水处理的效果，发现它是一种高效且经济的方法（Yakamercan等人，2023年）。此外，电化学生物系统中的反硝化细菌可以利用原位生成的H?进行氢自养反硝化，减少碳源需求，证实了该系统的高效率和经济效益（Zhai等人，2020年）。外部电场的应用可以改善微生物种群结构和关系，从而提高能量利用效率（Yuan等人，2017年）。因此，希望通过电增强藻-细菌共生系统（E-ABSS）实现高盐度MW的高效处理。在实际操作中，室外培养的微藻暴露在自然的昼夜光照周期中。光照-黑暗周期可以调节藻细胞的集体光吸收，从而影响藻细胞分裂的调控（Meng等人，2019年）。关于光周期的研究需要高度重视。

在实际应用中，光周期作为调节藻类光合作用的关键环境因素，通过改变光反应和暗反应之间的平衡，显著影响了微生物群落和微藻的代谢活动（Sun等人，2019年）。当光照时间不足时，会阻碍微藻的富集过程，导致溶解氧产量不足，无法维持细菌对污染物的降解（Dhanker等人，2023年）。此外，长期的光周期调节还会影响ABC的更新过程（Wang等人，2025年）。确定适当的光周期对于刺激微生物去除污染物至关重要。目前，大多数研究仍不清楚光周期对生物群落组装的影响，尽管研究重点已经从关注去污性能转向了酶活性变化和代谢途径（Chu等人，2025年；Wang等人，2023年）。微生物群落组装的机制，包括确定性和随机过程，及其与群落功能的关系，已成为生态学中的核心问题（Zhang等人，2020年）。理解这些机制对于维持微生物的稳定性和优化系统性能至关重要。本研究提供了关于光周期在实验性E-ABSS中处理MW的生态作用的见解，为未来E-ABSS中群落调控的研究奠定了基础。

因此，本研究的主要目标是：（i）确定不同光周期对E-ABSS氮去除和COD降解能力的影响；（ii）阐明光周期对ABC关键功能物种和群落调控的影响；（iii）分析微生物群落组装与代谢途径之间的关系。

部分内容摘录

E-ABSS设计与废水组成

本研究选择了三个实验室规模的光序列批式反应器作为实验装置，反应器在环境温度（25 ± 2°C）下运行，有效体积为2升。水通过蠕动泵从反应器上端进入，排水依靠重力进行。使用沙芯曝气头通过曝气泵进行曝气，并使用转子流量计将溶解氧浓度调节到约3–4毫克/升。

系统去污性能分析

图1a显示了E-ABSS在不同光周期下六十天运行期间的COD降解和氮去除性能变化。在实验运行期间，每个反应器的COD去除性能保持稳定，但氮去除效率存在波动。当反应器出水相对稳定后，H1、H2和H3的平均COD去除率分别为72.92%、75.50%和73.58%。

结论

本研究阐明了光周期对盐度胁迫下E-ABSS运行特性的影响。尽管光周期的变化对COD降解没有显著影响，但在氮去除性能上存在显著差异。H2表现出优异的氮去除性能，这归因于其藻类和细菌之间建立了互利共生关系，以及其出色的氨同化能力。

CRediT作者贡献声明

刘勋豪：撰写 – 审稿与编辑、可视化、方法论、研究。张倩：撰写 – 审稿与编辑、监督。王洪宇：撰写 – 审稿与编辑、概念构思。李萌：撰写 – 审稿与编辑、监督、资金获取。陈佳静：撰写 – 审稿与编辑、概念构思。何琦：撰写 – 审稿与编辑。董晓倩：撰写 – 审稿与编辑。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能会影响本文工作的竞争性财务利益或个人关系。

致谢

本工作得到了武汉理工大学三亚科技创新园开放项目的财政支持（授权号：2022KF0005）。