氮循环细菌共培养聚集体构建及其在生物废水处理絮凝机制研究中的应用

这篇研究通过构建简化模型（N-cycle）菌群共培养体系，创新性地采用藻酸盐包埋技术实现硝化菌微菌落的高效保留，揭示了序批式反应器（SBR）好氧/缺氧循环中生物絮凝的底层机制。研究证实该自下而上（bottom-up）策略可模拟活性污泥絮体形成过程，为解析胞外聚合物（EPS）介导的微生物聚集提供了可控实验范式，对废水处理中功能菌群定向调控具有重要指导意义。

　　

材料与方法
实验设计以硝化细菌（AOB：Nitrosomonas europaea；NOB：Nitrobacter winogradskyi）与反硝化菌（DEN：Azoarcus communis Rif^r-mSc）为核心，通过紫外灭菌藻酸盐（1.5 wt%）包埋构建共培养体系。采用Nisco VARD2Go喷射破碎系统制备直径约1 mm的均匀微球（均匀度比1.23），在28°C的HEPES缓冲培养基中运行序批式反应器，通过1 vvm气流量切换好氧/缺氧条件。代谢活性通过离子色谱（IC）监测NH₄⁺、NO₂^-、NO₃^-浓度变化，qPCR（TaqMan多重检测）定量功能基因（amoA/nxrB/nosZ）拷贝数，结合冷冻切片-荧光原位杂交（FISH）和扫描电镜（SEM）解析菌落空间分布。

关键发现

1. 包埋菌群活性维持：藻酸盐基质未限制代谢活性，硝化菌在包埋状态下甚至表现出更快的底物消耗速率（NOB在24小时内降解90%亚硝酸盐）。qPCR显示AOB基因拷贝数峰值达NOB的5-6倍，印证了N. europaea在共培养中的竞争优势。
2. 微菌落动态演变：冷冻切片-FISH揭示直径约4 μm的致密球形菌落均匀分布于藻酸盐基质，但物种空间分离明显——仅12%位点存在AOB-NOB共定位。SEM图像显示菌落内部细胞紧密排列，部分因切片处理释放为单细胞。
3. 絮体诱导策略：磷酸盐缓冲液溶解藻酸盐后，离心（3000 g）联合Ca²⁺再悬浮成功诱导宏观絮体形成，包含硝化菌微菌落与反硝化菌松散基质的复合结构。对照实验证实单纯离心仅使Azoarcus絮体暂时性压缩（2日内解离）。

讨论与展望
研究创新点在于通过人工包埋强制微生物共定位，模拟了活性污泥中硝化菌微菌落的自然形成过程。值得注意的是，FISH制样过程会人为导致假阳性聚集，提示原位观测技术的必要性。未来研究建议采用全自动SBR避免离心干扰，并整合拉曼光谱与多组学技术解析微菌落表型成因。该体系可扩展至聚磷菌（PAO）等功能菌群，为废水处理中颗粒污泥（granular sludge）定向调控提供理论框架。

应用价值

1. 藻酸盐包埋可作为慢生菌（如AOB）的高效保留策略，其1 mm粒径设计未引发氧扩散限制。
2. Azoarcus的自发絮凝特性使其成为生物膜研究的理想"骨架"，而硝化菌微菌落的机械稳定性可能源于包埋诱导的EPS重塑。
3. 研究建立的qPCR-FISH-SEM多模态分析方法，为复杂菌群互作研究提供了标准化方案。