微藻污水处理系统中曝气模式对土著细菌氮代谢功能转变及脱氮效能的影响机制研究

本研究针对微藻基污水处理系统中曝气模式对氮代谢功能的影响机制展开探索。通过对比连续曝气（CA）、间歇曝气（IA）与无曝气（NA）模式，发现IA显著提升细菌硝化（nitrification）与反硝化（denitrification）功能，关键菌属如Paracoccus和Rhizobium的丰度与NH4+-N、NO3?-N等指标密切关联。研究为优化微藻-细菌协同脱氮工艺提供理论依据，发表于《Bioresource Technology》。

　　

研究背景与意义
传统污水处理面临高能耗与碳排放难题，而微藻基技术因其光合产能与污染物资源化潜力备受关注。然而，微藻与土著细菌的复杂互作机制，尤其是氮代谢功能如何受曝气策略调控，仍是未解之谜。现有研究多聚焦曝气强度，却忽视模式（如间歇曝气）对微生物功能的重编程作用。山西大学团队通过多组学分析，首次揭示曝气模式通过重塑氮代谢菌群基因组网络驱动脱氮效能的机制。

关键技术方法
研究采用Chlorococcum sphacosum GD处理市政污水，设计CA、IA、NA三种曝气模式，监测DO、NH₄⁺-N等指标动态。通过宏基因组测序解析氮代谢基因（如narG、nirK）与菌群结构关联，结合环境因子相关性分析（如Mantel检验）揭示调控机制。

研究结果
1. 微藻基污水处理性能差异
CA与IA模式下DO峰值达13.4 mg/L，污染物去除率显著高于NA。IA模式独特之处在于夜间曝气补偿光合氧缺口，使NO₃^?-N去除率提升27%。

2. 氮代谢功能基因响应
IA模式下同化硝酸盐还原（assimilatory nitrate reduction）基因表达量较CA提高1.8倍，反硝化关键酶基因（nosZ）丰度与DO呈负相关（R²=0.73）。

3. 核心功能菌群鉴定
Paracoccus（占比12.3%）和Rhizobium（9.7%）被确定为氮循环枢纽菌，其丰度与TP（总磷）、COD（化学需氧量）显著相关（p<0.01）。

结论与讨论
研究证实曝气模式通过DO动态变化重塑菌群功能架构：IA模式通过“氧脉冲”刺激反硝化菌富集，而CA模式因持续高DO抑制部分厌氧菌活性。该发现为微藻-细菌系统精准供氧设计提供范式，推动低耗高效污水处理工艺发展。山西大学团队进一步建议将IA模式与光暗周期耦合，以最大化光合氧利用率。