优化光能分配策略，以促进藻菌颗粒污泥的形成、提高营养物质去除效率，并实现高价值生物产物的回收

《Journal of Water Process Engineering》：Optimizing light energy allocation strategies for enhanced algal-bacterial granular sludge formation, nutrient removal, and high-value bioproducts recovery

ABGS技术通过微藻与细菌共生实现高效污水净化和资源回收，研究对比了四种等量总光能分配策略（光周期和强度组合）对ABGS形成的影响，发现3/3小时光周期显著加速颗粒污泥形成，动态光强度（50→150→100 μmol/m2/s）策略在提升藻类生长、氮去除效率（67.03%）及生物产物回收（藻胶206.46 mg/g-VSS，脂类113.41 mg/g-VSS）方面最优，揭示了不同培养阶段的光需求差异。

　　

张华良|齐鹏|全浩婷|易方正|贾艳艳|卢慧|赵青

广州大学土木与交通工程学院，中国广州510006

摘要

藻菌颗粒污泥（ABGS）被认为是一种高效的废水处理和资源回收技术。虽然光照能量的分配对ABGS的形成和性能有重要影响，但该领域的系统研究仍然较少。在本研究中，通过调节光照周期和光照强度，评估了四种总能量输入相同的光照分配策略。结果表明，与12/12小时的光照/黑暗周期相比，3/3小时的光照/黑暗周期显著加速了ABGS的形成。在这种光照周期下，一种分阶段动态光照强度策略（先增加后减少光照强度，分别为50–150-100 μmol m^?2 s^?1）显著促进了微藻生长和ABGS的发展，这表明ABGS形成过程中存在特定阶段的光照需求。该策略还实现了最高的总氮（TN）去除效率（67.03%），这归因于关键反硝化酶活性的提高。此外，它还显示出在回收高价值生物产物方面的优越潜力，包括类似藻酸盐的胞外多糖（206.46 mg/g-VSS）和脂质（113.41 mg/g-VSS），这得益于氧化应激的增加以及参与脂肪酸生物合成和降解的基因丰度的差异。总体而言，本研究为ABGS培养过程中的光照需求时间动态提供了新的见解，并为优化光照分配以增强营养物质去除和生物产物回收提供了实用框架。

引言

有效的废水处理对环境保护和可持续发展至关重要[1]。然而，传统的活性污泥工艺不仅能耗高，还是温室气体排放的主要来源，占全球能源消耗的3%–5%和总排放量的1%–2%[2,3]。藻菌颗粒污泥（ABGS）由具有共生关系的微藻和细菌组成的球形聚集体构成[4,5]，在能源自给自足、减少温室气体排放和去除营养物质方面具有显著优势[6]。最近的研究进一步证明了ABGS在处理多种复杂废水（包括来自纺织、制药和食品加工行业的废水）方面的实际应用性[7,8]。此外，ABGS富含高价值生物质，具有巨大的资源回收潜力[9]。这种双重功能凸显了ABGS作为可持续且资源高效废水处理替代方案的潜力。

光照强度在ABGS的形成和性能中起着关键作用，因为它驱动光合作用[10]。多项研究表明，增加光照强度可以促进微藻增殖并促进ABGS的形成。例如，Meng等人报告称，在光照强度超过90 μmol m^?2 s^?1的情况下，颗粒核心内可以形成明显的好氧/厌氧区域，而在光照强度达到或超过135 μmol m^?2 s^?1时会出现绿色颗粒[11]。同样，Li等人发现120 μmol m^?2 s^?1的光照强度提高了颗粒稳定性和氮去除性能，而Fan等人则报告在较高光照条件下生物量产量、叶绿素含量和代谢活性增加[12,13]。然而，其他研究指出，微藻在不同生长阶段对光照的需求差异很大[14, [15], [16], [17]]。特别是在培养初期，微藻对光照强度的需求较低，过度光照可能导致能量浪费和潜在的光抑制，最终阻碍藻类生长[14, [15], [16], [17]]。因此，在整个颗粒化过程中保持恒定的高光照强度可能并非最佳选择。除了光照强度外，光照周期也显著影响ABGS的发展。过长的光照周期可能导致微藻光抑制[18]，而光照时间不足可能会通过限制能量供应而阻碍光合作用，从而影响生长和代谢[19]。因此，在不同ABGS形成阶段如何根据光照强度和光照周期优化光照能量的分配仍然是一个挑战，需要进一步研究。

像脂质和类似藻酸盐的胞外多糖（ALE）这样的高价值生物质是ABGS中的重要可回收资源[20,21]。脂质可作为绿色生物柴油生产的原料[22]，而ALE在农业、建筑、医药和造纸工业中有广泛的应用[11]。先前的研究表明，光照条件不仅影响脂质产量，还影响脂肪酸的组成（如碳链长度和饱和度），从而影响生物柴油的质量[23]。然而，关于光照能量分配如何影响这些高价值生物产物的积累和特性的系统研究仍不足。因此，探索如何优化光照能量分配以最大化ABGS系统中的资源回收至关重要。

在本研究中，通过根据ABGS形成的不同阶段调节光照周期和光照强度，建立了四种总光照能量输入相同的策略。主要目标是：（1）研究光照分配策略对ABGS形成的影响；（2）评估所开发的ABGS在营养物质去除和高价值生物质回收方面的性能；（3）阐明所开发的ABGS内的微生物群落结构和代谢功能。这项工作在固定输入情况下系统地优化了光照能量分配，并提出了一种新的方法来提高ABGS培养过程中光照能量的利用效率。所提出的策略在选择性改善ABGS形成、废水处理效率和高价值产物回收方面取得了显著效果，从而有助于提高废水处理过程的可持续性。

部分摘录

反应器的启动和运行

构建了四个实验室规模的光序列批次反应器（PSBRs），每个反应器的直径为7厘米，高度为80厘米，工作体积为2.4升，体积交换比为50%，分别命名为R1至R4，用于在不同光照能量分配策略下培养ABGS（表1）。R1和R4在三个阶段（第一阶段：第1-30天；第二阶段：第30-60天；第三阶段：第60-90天）持续暴露于分阶段的恒定光照强度100 μmol m^?2 s^?1。R2则经历了分阶段的

在不同光照能量分配策略下ABGS的形成

尽管所有PBSRs中都成功培养出了ABGS，但在不同的光照照射策略下，其形成过程存在显著差异。在第一和第二阶段，MLSS在R1中略有增加，在R2-R4中略有波动，然后在第三阶段迅速增加并稳定（图1a）。第三阶段的快速增长可能是由于成熟ABGS中藻类和细菌之间的共生相互作用进一步增强，从而促进了生物质的生产[35]

结论

本研究全面研究了四种总光照能量输入相同的策略对ABGS形成的影响，揭示了它们在ABGS形成、营养物质去除和高价值生物产物回收方面的不同效果。在这四种策略中，分阶段增加后减少光照强度的策略（50–150-100 μmol m^?2 s^?1）最符合ABGS形成过程中的动态光照需求。该策略显著促进了微藻生长，这一点从最高的叶绿素含量可以得到证明

CRediT作者贡献声明

张华良：撰写——初稿，可视化，方法论，研究，数据分析。齐鹏：方法论，研究。全浩婷：方法论，研究。易方正：研究。贾艳艳：监督。卢慧：资源获取，概念化。赵青：撰写——审稿与编辑，资金筹集。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能会影响本文所述工作的财务利益或个人关系。

致谢

本研究得到了国家自然科学基金（编号：42077155）的财政支持。我们衷心感谢上海Majorbio Bio-Pharm Technology Co., Ltd.的Ting Zhang女士在生物信息学分析方面的指导和帮助。同时，我们也非常感谢eceshi（www.eceshi.com）提供的GC–MS分析服务。