可变形 Trichormus 与沸石在三层培养系统中的协同作用：调控废水流出物微生物群落的新策略

《Scientific Reports》：Synergistic role of Trichormus variabilis and zeolites in three-layer culturing system for modulating the wastewater effluent community

本研究针对市政废水排放中营养盐残留与病原菌扩散的双重挑战，创新性地构建了由固氮蓝藻 Trichormus variabilis AICB 1382 与天然沸石组成的三层培养系统。研究通过颜色法、重量法和 16S/18S rDNA 扩增子测序分析，证实该系统可高效去除硝酸盐（91.8%）、铵盐（97%）和磷酸盐（99.2%），并显著提升生物量产量。沸石通过缓释营养盐促进蓝藻垂直分层，形成具有独特微生物群落的空间结构，有效抑制含多重耐药基因的致病菌，同时增强真核微生物多样性。该技术为废水营养盐回收、生物质生产和环境安全提供了一种可扩展的半连续式解决方案，兼具农业回用与河流排放的安全性。

　　

随着城市化进程加速，市政废水处理厂排放的富营养化尾水已成为河流生态系统的重要污染源。这些尾水中残留的硝酸盐（NO₃^?）、铵离子（NH₄⁺）和磷酸盐（PO₄^3?）不仅引发水体富营养化，还携带大量潜在病原菌和抗生素耐药基因，直接威胁水环境安全。传统废水处理工艺虽能部分去除污染物，但能耗高且难以彻底消除微生物风险。在此背景下，利用具有固氮能力的蓝藻进行生物修复，被视为一种可持续的解决方案。然而，如何实现高效营养盐回收、生物质增产与病原菌控制的协同优化，仍是当前研究的瓶颈。

本研究发表于《Scientific Reports》，创新性地将固氮蓝藻 Trichormus variabilis 菌株 AICB 1382 与天然沸石结合，构建了一种三层培养系统，旨在通过微生物群落调控实现废水深度净化。研究团队通过为期14天的实验，对比了仅含沸石（EZ）、蓝藻无沸石（EC）及蓝藻-沸石复合（EZC）三种处理方式，利用颜色法测定营养盐浓度，重量法分析生物量产量，并结合16S/18S rDNA扩增子测序解析微生物群落结构变化。

三层培养系统的构建与营养盐回收

在EZC系统中，蓝藻凭借其浮力特性与沸石的吸附作用，自发形成三层空间结构：上层为蓝藻菌丝与细菌交织的厚生物膜，中层为清澈废水，下层为沸石表面附着的深蓝色蓝藻层。这种分层结构显著提升了营养盐去除效率。在蓝藻存在的EC和EZC系统中，PO₄^3?去除率高达89.8%–99.2%，NO₃^?和NH₄⁺去除率分别达67.1%–91.8%和67.1%–97%，均优于仅含沸石的EZ系统。沸石通过吸附并缓释NH₄⁺，为蓝藻提供持续氮源，而蓝藻的胞外聚合物（EPS）则促进微生物聚集，形成协同净化效应。生物量产量在EZC系统中最高（达156.2 mg·L^?1·天^?1），表明该组合兼具高效污染物去除与资源回收潜力。

原核微生物群落的响应与重构

通过Bray-Curtis相似性矩阵的UPGMA聚类分析发现，处理方式是驱动微生物群落结构变化的关键因素。 effluent（E）、EZ和EC/EZC样本明显分离，而AICB 1382的引入显著降低了原核生物群落的α多样性（Shannon-H指数p<0.001）。在EC/EZC系统的三层样本中，中层水体物种均匀度（Evenness）和多样性最高，而上下层则由少数优势类群主导，如蓝藻门（Cyanobacteria）和绿弯菌门（Chloroflexi）。SIMPER分析显示，T. variabilis是造成样本间差异的主要贡献者（35.74%）。此外，废水中的多种致病菌门（如Campylobacterota、Fusobacteriota、Synergistota）及耐药基因相关属（如Legionella、Clostridium、Pseudomonas）在培养后几乎完全消失，表明该系统具有显著的病原菌抑制能力。

真核微生物群落的差异化调控

真核群落的变化主要受废水化学背景主导，而非处理方式。PCoA分析显示，E2E废水样本与其他样本明显分离，表明废水来源对真核群落结构影响显著。在EZ条件下，绿藻（Chloroplastida）和硅藻（Bacillariophyta）大量繁殖，而EC/EZC系统中则以异养型和分解型类群（如Labyrinthulomycetes、Ascomycota）为主。值得注意的是，E3E废水中自由生活的Centrohelida和Euglenozoa类群在培养后仍保持较高丰度，反映了系统对原生生物多样性的维持能力。

技术路径的创新性与环境意义

本研究通过将固氮蓝藻的生物学特性与沸石的物理化学属性相结合，构建了一个自维持的三层生态系统。沸石不仅作为营养盐缓释载体，还为微生物提供附着界面，而蓝藻通过光合作用增氧并分泌活性物质，间接抑制病原菌生长。该系统在实现高效营养盐回收的同时，降低了水体排放的生态风险，且收获的蓝藻生物量可进一步用于农业肥料生产。此外，研究首次从微生物群落层面揭示了蓝藻-沸石协同作用对多重耐药菌的清除机制，为废水处理工艺的优化提供了理论依据。

综上所述，Trichormus variabilis AICB 1382与沸石的三层培养系统在市政废水深度处理中展现出多重优势：一是通过空间分层实现营养盐高效去除与生物量增产；二是调控微生物群落结构，显著降低病原菌及耐药基因扩散风险；三是具备可扩展性和半连续运行潜力，为废水资源化与环境安全提供了创新性解决方案。未来研究可进一步优化营养盐负荷与光照条件，以提升该系统在实战场景中的应用效能。