微藻-细菌共生系统在低碳氮比条件下的氮去除机制：多组学解析与代谢互作

针对低碳氮比(CNR)废水处理难题，研究人员通过构建微藻-细菌共生系统(MBSS)，结合宏基因组学和非靶向代谢组学技术，揭示了Pseudomonadota门细菌主导的氮去除机制。实验表明CNR为4时NH4+-N去除率达51.6%，为低CNR废水处理提供了理论依据和技术支撑。

　　

在全球水体富营养化加剧的背景下，氨氮(NH₄⁺-N)废水处理面临严峻挑战。传统生物脱氮技术存在碳源需求高、能耗大等缺陷，而中国特有的稀土渗滤液（COD<20 mg/L，TN>100 mg/L）和市政污水（CNR<6）更凸显了低碳氮比(CNR)处理的迫切性。微藻-细菌共生系统(MBSS)因其协同代谢特性被视为突破方向，但长期运行机制和微生物互作规律尚不明确。

中国某研究团队在《Bioresource Technology》发表的研究中，创新性地将MBSS与异养硝化-好氧反硝化(HN-AD)菌群结合，通过36天实验对比CNR为0/2/4（L/M/H组）的处理效能。研究采用BG11培养基富集微藻，结合宏基因组学解析微生物群落结构，运用非靶向代谢组学追踪代谢物变化，并监测DO、pH等理化参数。

长期运行性能分析显示：H组NH₄⁺-N去除率(51.6±14.1%)显著高于M组(33.6±10.9%)和L组(9.2±4.3%)，证实CNR与脱氮效率呈正相关。值得注意的是，系统pH随CNR升高从7.7增至9.1，暗示微藻光合作用对环境的调控作用。

微生物群落研究发现：Pseudomonadota门细菌占据绝对优势（相对丰度>60%），其中Shinella和Pannonibacter被鉴定为关键脱氮菌属。宏基因组数据表明，CNR升高使氮代谢基因拷贝数增加1.5-5.7倍，尤其是硝酸盐还原酶(narG)和亚硝酸盐还原酶(nirK)基因。

代谢互作机制揭示：低CNR条件下微藻分泌复杂有机物（如多糖类）促进细菌生长，而添加外源碳源（CNR≥2）会抑制该过程，导致细菌转向利用简单碳源。差异代谢物分析显示，三羧酸循环(TCA)中间体和氨基酸代谢物浓度与CNR显著相关。

该研究首次系统阐释了MBSS在低CNR条件下的稳定运行机制，提出通过调控微藻-细菌比例和pH可优化处理效能。其创新性在于：1）证实MBSS在CNR=4时即可实现>50%脱氮效率，较传统HN-AD菌群所需CNR(12-25)大幅降低；2）发现Pseudomonadota门细菌的核心作用，为功能菌群定向富集提供靶点；3）阐明碳源类型对代谢网络的重编程效应。这些发现为发展低能耗废水处理技术提供了重要科学依据。