厌氧颗粒粒径奥秘：开启废水处理系统精准管理新征程

厌氧消化（AD）在全球碳循环及废水处理中至关重要，厌氧颗粒是废水处理的关键。研究人员探究不同粒径厌氧颗粒的差异，发现粒径与多种特性相关，且中型颗粒优势明显。这为废水处理系统管理提供新视角。

　　在神秘的微生物世界里，厌氧消化（AD）就像一位隐藏的 “幕后英雄”，默默地在全球碳循环的大舞台上发挥着关键作用。在那些厌氧环境盛行的地方，比如湿地的淤泥、湖泊和海洋的沉积物，还有反刍动物和白蚁的肠道中，厌氧微生物们齐心协力，将有机物进行分解。据估算，这些环境中的厌氧微生物活动每年能释放约 10 亿吨的全球甲烷（CH₄），这可是全球甲烷的重要来源之一。

在工程领域，厌氧消化也被广泛应用于废水处理。厌氧颗粒作为其中的 “小能手”，直径约 0.1 - 5.0 毫米，是一个个包含着多样化微生物群落的 “小世界”，对废水处理系统的成功运行起着至关重要的作用。然而，尽管厌氧颗粒如此重要，人们对它们的了解却还远远不够。比如，复杂的微生物群落是如何聚集形成稳定的生物膜的？不同大小的厌氧颗粒之间又有哪些差异呢？这些问题就像一团团迷雾，笼罩着科研人员。

为了拨开这些迷雾，来自国外的研究人员开展了一项深入的研究。他们假设不同大小的厌氧颗粒代表着生物膜发育的不同阶段，小颗粒是 “年轻” 的，大颗粒是 “老” 的。通过对取自荷兰一个处理马铃薯加工废水的全规模中温（37°C）上流式厌氧污泥床（UASB）消化器中的厌氧颗粒进行研究，研究人员将颗粒按粒径分为十个不同的组分（A - J），并对这些颗粒的形态、理化、生理和生态差异进行了详细的表征。

研究人员主要运用了以下关键技术方法：首先，通过一系列不锈钢分级筛将厌氧颗粒按粒径大小分离成不同组分；然后，利用标准灼烧失重技术测定总固体（TS）和挥发性固体（VS）浓度；运用扫描电子显微镜（SEM）观察颗粒的超微结构；采用阳离子交换树脂（CER）技术提取胞外聚合物（EPS）并进行成分分析；通过特定的缓冲溶液和实验流程测定特定产甲烷活性（SMA）；提取颗粒中的 DNA 并进行 16S rRNA 基因测序，结合生物信息学和统计分析来研究微生物群落结构和动态。

下面来看看具体的研究结果：

• 粒径与理化性质梯度：研究发现，颗粒粒径呈现正态分布，大部分污泥体积由中等粒径（D - G 组分）的颗粒构成。中等及较大粒径（D - J）颗粒的 VS 占 TS 的比例较高，而较小粒径颗粒的该比例较低。颗粒的超微结构也随着粒径变化，小颗粒呈 “薄片” 状，中等颗粒 “扁平”，大颗粒呈球形，最大的颗粒出现裂缝和空隙。颗粒的密度和沉降速度与粒径呈线性关系，但两者呈负相关，小颗粒密度高沉降慢，大颗粒则相反。此外，紧密结合（TB） - EPS 的成分在各粒径组分中相对稳定，而松散结合（LB） - EPS 的成分在不同粒径颗粒中有明显差异，小颗粒中蛋白质和多糖比例高，大颗粒中腐殖质类物质（HLS）比例高 。
• 中型颗粒产甲烷活性最高：所有粒径的颗粒在以氢气为底物时，产甲烷活性比以挥发性脂肪酸为底物时更高。较大粒径（H 和 I 组分）的颗粒活性低于较小粒径颗粒，而中等粒径（D - G 组分）的颗粒在所有测试底物下通常活性最高。
• 微生物群落多样性随粒径增加而降低：随着颗粒粒径的增加，微生物群落的 α 多样性（如 Pielou 均匀度和 Shannon 熵）显著降低，但稀化丰富度没有明显变化。β 多样性分析显示，不同粒径组分的微生物群落结构存在显著差异和梯度变化。通过集合商优化（EQO）分析，研究人员还发现了与粒径相关的微生物群落亚群，以及一个相对稳定的微生物群落子集，其中包括 Methanosaeta 等属。
• 小颗粒含有特定分类群，大颗粒微生物群落更具世界性：通过特异性分析，研究人员鉴定出 22 个特定于小粒径颗粒的属，这些属大多是发酵细菌，可能有助于小颗粒的高微生物多样性。而中等和大颗粒则含有更多世界性的微生物群落。
• 颗粒中存在通才和专才微生物：利用 Levin's β_N分析，研究人员在所有样本中鉴定出五个通才属和八个专才属。大多数专才属是已知的发酵菌，且通才和专才属大多与粒径、沉降速度和 VS 呈负相关，但与密度有正相关的情况。其中，Bathyarchaeia 作为专才属较为特殊，它与其他通才和专才属的共现性低，且与粒径和沉降速度呈正相关。
• 颗粒生长过程中产甲烷能力增强：随着颗粒粒径的增加，古菌的相对丰度显著增加，尤其是产甲烷古菌（Euryarchaeota 和 Halobacterota），但这些类群的稀化丰富度没有明显变化。

综合研究结果和讨论部分，这项研究具有重要意义。研究表明，中等粒径的颗粒可能是最理想的，它们在污泥体积中占比大，产甲烷活性高，结构稳定，微生物群落多样性较为适宜。这一发现为废水处理系统的管理提供了新的策略，例如可以通过调控使系统更有利于中等粒径颗粒的形成，从而提高废水处理效率和生物能源的生产。此外，研究还提出了厌氧颗粒生物膜的发展模型，从 “年轻” 的小颗粒，到 “成熟” 的大颗粒，不同阶段具有不同的特征。同时，研究中运用的以分类群为中心的方法，为揭示微生物在不同粒径颗粒中的生态作用提供了新的视角，有助于进一步理解微生物群落的生态稳定性。该研究成果发表在《Environmental Science and Ecotechnology》上，为相关领域的研究开辟了新的方向，让人们对厌氧颗粒在废水处理中的应用有了更深入的认识，有望推动废水处理技术的进一步发展 。