藻类生物膜在高碳氮比条件下降低微生物源溶解有机氮的生成机制研究

针对污水处理中微生物源溶解有机氮(mDON)引发富营养化的问题，南京大学团队通过藻类生物膜(AB)系统研究不同碳氮比(C/N)对mDON生成的影响。研究发现AB在C/N=8时可将mDON浓度降低至0.88±0.08 mg/L（降幅>50%），总氮去除率达97.19%，揭示了藻菌协同通过代谢重组减少mDON化学多样性的机制，为污水脱氮提供了新策略。

　　

随着全球污水处理厂广泛采用生物脱氮(BNR)工艺，微生物源溶解有机氮(mDON)已成为出水残留氮的主要组分。这类物质不仅具有比无机氮更高的富营养化风险，还是含氮消毒副产物的前体，严重威胁生态安全和人类健康。传统BNR工艺在碳源投加条件下会加剧mDON释放，而藻类生物膜(AB)系统因其卓越的脱氮性能被视为潜在替代方案。然而，污水碳氮比(C/N)如何影响AB系统中mDON的生成与转化，仍是亟待破解的科学难题。

南京大学的研究团队在《Environmental Research》发表的研究中，创新性地构建了C/N梯度(1-8)的AB反应器系统。通过结合傅里叶变换离子回旋共振质谱(FTICR-MS)、高通量测序和宏基因组组装基因组(MAGs)分析等前沿技术，首次揭示了C/N调控藻菌群落代谢互作影响mDON分子特征的深层机制。研究使用的藻菌共生体源自南京某污水厂二沉池污泥，在旋转式生物膜反应器中培养30天至稳态。

AB reactors setup and operation
研究团队设计了4组工作容积0.5L的旋转藻膜反应器，分别处理C/N为1、3、5、8的模拟污水。通过监测发现所有反应器出水总氮均<10 mg/L，其中C/N=8时氨氮浓度最低(0.06±0.03 mg/L)，且无亚硝酸盐/硝酸盐积累。

C/N ratios affected nitrogen removal performance in AB reactors
随着C/N升高，mDON浓度呈现先升后降趋势。C/N=8时mDON降至0.88±0.08 mg/L，较传统BNR工艺降低超50%，总氮去除率达97.19%。冗余分析表明，绿藻门(Chlorophyta)和蓝菌门(Cyanobacteria)在高C/N条件下增殖，与拟杆菌门(Bacteroidota)、变形菌门(Proteobacteria)形成协同互作，促进活性DON循环并降低其化学多样性。

分子机制解析
FTICR-MS数据显示高C/N条件下生物可利用DON分子占比<19.97%。宏基因组分析揭示：藻类通过增加DON代谢相关基因投资强化氮转化，而细菌的跨模块转化反应（导致mDON池多样化）则受到抑制。这种代谢重编程使得AB系统即使在高C/N条件下仍保持稳定的低mDON排放。

该研究首次系统阐明了C/N比通过调控藻菌种间关系影响mDON命运的规律，为优化AB工艺参数提供了理论依据。实践层面证明AB系统能适应1-8的宽范围C/N波动，在极端高C/N(8)条件下仍可实现mDON深度削减，这对处理碳源波动大的工业废水具有重要应用价值。研究建立的"藻菌功能群-代谢通路-分子特征"关联模型，为发展精准控氮技术开辟了新思路。