藻类来源对微藻-细菌颗粒污泥中颗粒化过程及机制的影响：颗粒特性、性能及微生物群落

《Journal of Environmental Chemical Engineering》：Effects of algal source on granulation process and mechanism in microalgal‐bacterial granular sludge: Granular characteristics, performance, and microbial community

微藻-细菌颗粒污泥（MBGS）系统采用本地微藻与外源衣藻属、脱硅藻接种对比，研究表明本地微藻组更快形成（56天 vs 63天）且颗粒更大（1430 μm），其表面负电荷和疏水性介于两者之间，通过XDLVO理论揭示衣藻属增强静电排斥而脱硅藻提升疏水性，但三系统均达>95% COD和>96% NH4+-N去除率。微生物群落中细菌组成相似，但本地系统氮固定基因丰度更高。

　　

罗成毅|程龙|胡启星|张一博|焦金宇|洪海婷|陈明明|胡志全

华中科技大学（HUST）绿色能源产业研究中心，武汉，430074，中国

摘要

本研究探讨了本地和外来微藻如何影响微藻-细菌颗粒污泥（MBGS）系统的颗粒形成、界面力、污染物去除以及微生物群落。三个序批反应器在相同条件下运行：其中一个使用种子污泥培养本地微藻（RN），而其他两个分别添加了小球藻（RC）或斜纹念珠藻（RT）。本地微藻更早形成稳定的颗粒，在第56天开始发育，最大颗粒尺寸达到1430微米。相比之下，外来菌株在63天内形成颗粒，表现出更高的微藻与细菌比例以及不同的经验公式。微藻来源也影响了颗粒表面性质。结合表面热力学和扩展的Derjaguin-Landau-Verwey-Overbeek（XDLVO）理论，小球藻增强了表面负电荷，提高了聚集的静电排斥力和能量障碍；而斜纹念珠藻增强了疏水性，降低了能量障碍，从而增强了聚集和沉降行为。本地微藻表现出中等性质，生成了表面电荷和疏水性平衡的稳定颗粒。尽管存在这些物理化学差异，所有反应器在处理合成市政废水时都能实现超过95%的COD和超过96%的NH₄⁺去除率。微生物群落分析显示各反应器中的细菌种群相似，而真核生物群落主要受反应器条件影响，而非外部接种。宏基因组测序进一步表明，使用本地微藻培养的MBGS含有更高比例的固氮基因。总体而言，基于本地微藻的MBGS具有更快的颗粒化速度、更大的颗粒以及更强的氮代谢功能。

引言

随着工业化和城市化的快速发展，水污染已成为一个日益严重的全球性问题[1]。好氧颗粒污泥（AGS）工艺相比传统方法具有多个优势，包括占地面积小、污泥沉降速度快、污染物去除效率高以及对环境波动的耐受性强[2]。然而，由于高曝气能耗导致的大量碳排放仍然是该工艺面临的关键挑战。在微藻-细菌系统中，微藻和细菌之间的相互作用通过互补功能增强了污染物去除效果。除了碳-氧交换外，两种微生物群落之间还相互交换营养物质和促进生长的物质[3]。然而，它们的悬浮形式存在絮凝效果差和生物量流失的问题[4]，这限制了其实际应用，并凸显了开发如MBGS这样结构更稳定的配置的重要性。尽管MBGS具有这些结构和功能优势，但其培养过程在早期聚集阶段仍可能不稳定，这突显了优化培养策略以实现其实际潜力的必要性。

作为一种新兴技术，MBGS结合了AGS的紧凑颗粒结构和微藻-细菌联合体提供的光合作用氧气供应，从而减少了曝气需求，同时保证了良好的生物量保留和易于收获[5]、[6]。许多研究探讨了外部环境因素对MBGS形成的影响。例如，Wang等人[7]、[8]通过施加不同的剪切力并在不同搅拌速度下研究了MBGS的形成过程；Li等人[9]研究了不同光照强度如何影响氧气水平，进而影响MBGS的形成；Ma等人[10]分析了不同底物负荷率下MBGS的特性和性能；Shi等人[11]探讨了不同氮源对MBGS的影响机制。迄今为止，MBGS已应用于市政、工业、农业、制药、咸水和水产养殖废水处理中，始终实现了高污染物去除效率和运行稳定性[12]、[13]、[14]、[15]、[16]、[17]。在这些应用中，该系统始终表现出高效率和运行稳定性。目前大多数研究集中在使用自然阳光或人工照明的实验室规模光生物反应器上，以促进微藻生长[18]。MBGS的培养策略因研究而异：一些研究人员使用污泥中已存在的本地微藻进行培养[18]，而另一些则在MBGS形成过程中引入特定微藻[19]。本研究选择了三种具有潜在影响MBGS颗粒化和污染物去除能力的代表性微藻来源。(1) 本地微藻自然存在于活性污泥中，形成了与废水相关细菌种群长期共存的内源适应型藻类群落。这种本土联合体更有可能建立稳定的藻类-细菌相互作用，并有效整合到EPS锚定的颗粒框架中，而不会引入额外的结构干扰。先前的研究表明，本地微藻可以通过兼容的结构组织和微生物合作促进聚集，并有助于长期颗粒稳定性[20]、[21]。因此，研究本地微藻有助于了解自维持的MBGS形成策略，可能在颗粒化效率和功能稳健性方面具有优势。(2) 小球藻被选为典型的外来微藻，因为它在MBGS研究中被最广泛使用，为外来藻类接种策略提供了成熟的参考[22]、[23]、[24]。现有研究表明，基于小球藻的MBGS系统在各种运行条件下都能实现稳定颗粒化和有效污染物去除，表明该属与颗粒污泥形成相兼容。因此，小球藻常被用作研究藻类-细菌相互作用、EPS形成和MBGS系统中聚集行为的模型外来微藻。(3> 斜纹念珠藻被选为一种具有与小球藻不同物理化学特性的新兴外来微藻。值得注意的是，其相对刚性和疏水性细胞壁据报道可以增强疏水相互作用，并可能降低聚集过程中的颗粒间能量障碍[25]。尽管这些界面相关特性表明可能有利于颗粒凝聚和稳定性，但它们对MBGS形成和处理性能的具体影响尚未进行系统评估，需要在统一运行条件下进行直接比较。总体而言，这三种微藻来源代表了不同的颗粒调节策略：内源适应与外来补充，以及在外来方法中，促进聚集的藻类特性与界面驱动的藻类特性。然而，尽管对本地和外来微藻用于MBGS培养的兴趣日益增加，但不同接种策略对MBGS形成的影响尚未进行系统评估，最佳接种方案仍不明确。报告的结果因菌株类型和运行条件而异，使得跨研究比较变得困难。这些差异表明，藻类来源的选择可能会影响MBGS的结构发展和与氮相关的功能，而不仅仅是光合作用提供的氧气供应。因此，本研究的关键科学问题是：本地和外来微藻来源是否会导致MBGS形成过程中的不同聚集行为和氮转化途径。

本研究旨在比较使用本地和外来微藻构建的MBGS系统的颗粒化过程和机制、污染物去除性能以及微生物群落。首先，通过检查结构和物理化学特性评估了来自不同微藻来源的MBGS的颗粒化过程。然后，确定了不同MBGS系统的有机物和营养物质去除效率。此外，通过表面热力学分析、XDLVO理论解析和EPS特性表征揭示了颗粒化机制。最后，使用16S rRNA、18S rRNA和宏基因组测序分析了微生物群落结构和与氮去除相关的功能基因。这些发现有望阐明微藻来源在MBGS中的作用，并为优化培养策略提供指导。

反应器配置

使用了三个相同的序批反应器来培养MBGS。每个反应器的直径为8厘米，有效高度为40厘米，工作体积为2升。进水口由液位计控制。反应器内的搅拌器在厌氧阶段以100转/分钟的速度运行。通过底部的盘片提供曝气，气流由空气泵和流量计控制。在颗粒化过程中，曝气速率保持在3升/分钟，颗粒化完成后降至1.5升/分钟

MBGS的特性

三个SBR系统中的微藻种类各不相同。RN反应器运行56天后，RC和RT反应器运行63天后，所有系统的SVI₅/SVI₃₀比率超过0.8，平均颗粒尺寸超过200微米，符合颗粒污泥的定义，表明MBGS已经形成[30]。图S1展示了120天时MBGS的显微镜和SEM图像。如图1a所示，污泥浓度显著下降

结论

研究表明，微藻来源的不同改变了EPS的特性，进而影响了表面疏水性、静电排斥力和与颗粒聚集及沉降相关的界面力。尽管微藻与细菌的比例较低，本地微藻产生的颗粒较大且结构稳定，其污染物去除效率与添加外来菌株的反应器相当或更高。反应器环境

写作过程中生成式AI和AI辅助技术的声明

在准备本工作时，作者使用了ChatGPT 5来提高可读性。使用该工具后，作者根据需要审查和编辑了内容，并对出版物的内容负全责。

CRediT作者贡献声明

罗成毅：写作——审稿与编辑，原始草稿撰写，软件使用，方法学研究，数据分析。胡志全：写作——审稿与编辑，监督，资源管理，项目协调，资金获取，概念构思。洪海婷：写作——审稿与编辑。陈明明：写作——审稿与编辑。张一博：写作——审稿与编辑，软件使用。焦金宇：写作——审稿与编辑，数据分析。程龙：写作——审稿与编辑，方法学研究。

利益冲突声明

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致谢

本研究得到了中国国家重点研发计划（项目编号2019YFA0905504）和中国国家自然科学基金（项目编号22378154）的财政支持。我们感谢所有匿名审稿人对本文质量改进提出的宝贵建议。同时，我们也感谢华中科技大学环境科学与工程学院环境研究设施公共服务平台的支持