通过本土胞外聚合物产生菌的生物强化增强好氧颗粒污泥形成及污染物去除

《Chemosphere》：Enhancing aerobic granular sludge formation and pollutant removal via bioaugmentation with indigenous EPS-producing bacteria

　　

• 将土著枯草芽孢杆菌和大肠杆菌共接种以加速AGS启动。
• 生物强化反应器在第10天达到50%的颗粒化，而对照仅为5%。
• 絮体在第40天完全转化为颗粒，SVI?降至76 mL g?1。
• 生物强化反应器实现了近乎完全的COD去除，75–90%的NH?-N去除和约60%的TP去除。
• 硝化螺菌数量增长十倍；接种菌株作为过渡性的启动先锋发挥作用。

**引言**

对可持续、节能且紧凑的污水处理技术的需求不断增加，加速了先进生物工艺的发展，这些工艺能够在最小化运行成本和环境影响的同时实现高效处理。在这些技术中，好氧颗粒污泥（AGS）凭借其独特的微生物结构和卓越的处理性能，已成为传统活性污泥法（CAS）最具前景的替代方案之一。与CAS特有的松散不规则絮体不同，AGS由致密的球形微生物聚集体组成，具有优异的沉降性能、高生物量截留能力、对水力冲击和有机负荷冲击的增强耐受性，以及污泥产量降低的优势（Lin等，2020；Han等，2022）。更重要的是，好氧颗粒的分层内部结构形成了好氧、厌氧和兼性厌氧的微环境，使得在单个序批式反应器（SBR）中能够同时去除有机碳、氮和磷（Ekholm等，2022）。这些特性显著减少了反应器占地面积，提高了工艺稳定性，并降低了与传统生物处理系统相比的曝气量和运行需求。因此，AGS技术在市政和工业废水处理领域获得了广泛关注，并已在世界各地众多中试和全规模污水处理厂成功实施。

尽管具有上述优势，AGS的广泛应用仍受到与反应器启动和长期颗粒稳定性相关的若干运行挑战的限制。其中一个主要瓶颈是颗粒化周期过长，根据废水特性、水力选择压力、有机负荷率和反应器运行条件的不同，可能需要60至200天（Sanchez-Sanchez等，2023）。如此漫长的启动期会延迟工艺稳定，增加运行成本，并降低在现有污水处理设施中实施AGS的经济吸引力。此外，成熟颗粒在长期运行中可能因生物量过度生长、丝状菌过度增殖、进水组成波动或水力扰动而逐渐失去结构完整性。颗粒解体通常导致污泥沉降性能下降、生物量流失和营养去除效率恶化，从而损害整体反应器性能（Liu等，2023；Shameem和Sabumon，2023）。因此，能够加速颗粒形成并维持长期结构稳定性的策略仍然是促进AGS技术更广泛应用的关键。好氧颗粒的形成、成熟和稳定性从根本上受胞外聚合物（EPS）控制，EPS构成了微生物聚集体的结构骨架。EPS是一个高度复杂的基质，主要由蛋白质、多糖、核酸、脂质和类腐殖质组成，它们介导微生物附着、促进细胞间聚集并促进生物膜发育（Flemming等，2023）。

除了作为物理支架外，EPS还增强了聚集体内聚力，保护微生物群落免受水动力剪切力和有毒化合物的影响，调节底物扩散，并建立了支持单个颗粒内多样微生物种群共存的物理化学梯度。这些微环境能够实现同时硝化、反硝化、磷积累和有机物降解，从而为AGS系统的卓越处理效率做出贡献（Shi和Liu，2021）。先前的研究表明，EPS的数量和组成，特别是蛋白质与多糖的比值，强烈影响颗粒形态、机械强度、沉降特性和反应器稳定性。然而，EPS的产生本质上与微生物群落演替相关联，并强烈受废水组成、水力条件、溶解氧浓度、有机负荷和环境波动的影响（Basri等，2023）。在实际生活污水条件下，特别是在热带地区废水特性差异较大的情况下，高效EPS产生微生物的延迟富集往往导致颗粒化缓慢和反应器性能不稳定。

为克服这些局限，生物强化作为一种通过引入具有理想生理特性的微生物来加速AGS形成的有前景策略脱颖而出，这些特性包括快速表面附着、高EPS产生和增强的聚集能力。多项研究报告表明，生物强化可以缩短反应器启动时间、改善颗粒形成并增强生物营养物去除。然而，大多数这些研究依赖于在人工废水条件下培养的外源菌株，这些菌株不能充分代表实际污水处理厂中遇到的复杂微生物相互作用、波动底物组成和环境变异性（Basri等，2023）。

因此，许多接种微生物在接种后无法建立稳定种群，因为它们无法有效地与土著微生物群落竞争，限制了生物强化在实际运行条件下的长期有效性。此外，先前的研究主要关注反应器性能的改善，而对微生物演替、EPS发育、颗粒微观结构和污染物去除之间机制关系的理解则关注较少（Jin等，2022）。因此，生物强化增强AGS形成的生态机制仍缺乏深入了解。

另一种潜在更可持续的策略是使用直接从活性污泥中分离的土著EPS产生细菌。由于这些微生物天然适应其原生存废水环境的物理化学特性和生态相互作用，预计它们能比外源菌株更快地适应反应器环境并在接种后建立种群（Song等，2021）。此外，使用土著微生物可以最小化生态干扰并增加全规模成功实施的可能性。然而，关于在真实生活污水条件下应用土著EPS产生细菌加速AGS形成的系统性研究仍然稀缺。特别是，将微生物筛选、EPS表征、颗粒形态、微生物群落演替和反应器性能相结合以阐明土著生物强化机制的研究仍然有限。这一知识缺口阻碍了针对全规模AGS系统开发稳健且实用的生物强化策略（Iorhemen和Liu，2021）。

因此，本研究提出了一种基于两种土著EPS产生细菌菌株——枯草芽孢杆菌和大肠杆菌——共接种的新型生物强化策略，这两种菌株分离自马来西亚布努斯污水处理厂收集的活性污泥。与以往主要采用单一外源菌株在人工废水条件下进行的研究不同，本工作利用了一个功能互补的土著细菌联合体，其中大肠杆菌促进快速微生物附着和生物膜启动，而枯草芽孢杆菌产生具有强蛋白质类荧光特征的EPS，可能支持聚集体内聚力。我们假设这些土著细菌之间的协同相互作用将加速EPS介导的颗粒形成，改善颗粒结构稳定性，并在热带生活污水条件下增强同时碳和营养物去除。为验证这一假设，本研究综合了微生物分离与筛选、结晶紫生物膜检测、基于荧光的EPS表征、粒径分布分析、污泥沉降性能评估、场发射扫描电子显微镜（FE-SEM）、能量色散X射线光谱学（EDS）和16S rRNA基因扩增子测序，以及全面的反应器性能评估。通过将微生物群落演替与EPS发育、颗粒微观结构和处理性能联系起来，本研究提供了关于土著EPS产生细菌在AGS形成中作用的新机制见解，并提出了一种具有强大潜力加速AGS启动和改善全规模生物污水处理系统长期稳定性的实用生物强化策略。

**废水表征与污泥采集**

本研究使用的活性污泥和生活污水采集自马来西亚布努斯污水处理厂。该处理厂主要接收生活污水，仅有少量商业活动贡献，并采用传统活性污泥法工艺运行。在正常厂运行期间，从曝气池采集约1 L混合液悬浮固体（MLSS）。样品在4°C下以无菌聚丙烯容器运至实验室。

**土著细菌分离株的筛选与选择**

从布努斯污水处理厂（STP）活性污泥中回收的四个形态各异的细菌分离株最初进行了筛选，以鉴定具有有利于好氧颗粒污泥（AGS）形成的功能特性的土著微生物。使用互补的分析方法对分离株进行评估，包括显微镜表征、结晶紫生物膜检测、激发-发射矩阵（EEM）荧光光谱法和聚集检测。

**结论**

本研究调查了使用两种土著EPS产生细菌——枯草芽孢杆菌和大肠杆菌——进行生物强化对处理生活污水的AGS发展和性能的影响。结果表明，生物强化成功加速了颗粒形成并改善了反应器的物理、生物和处理性能。在10天内实现了约50%的颗粒化，絮体部分（<0.2 mm）完全转化为颗粒。

**CRediT作者贡献声明**

Amirul Aiman Rio Hendry：调查、形式化分析。Hazlami Fikri Basri：写作——审阅与编辑、写作——初稿、可视化、监督、资金获取、概念化。Aznah Nor Anuar：监督、资源。Farhan Mohd Pauzi：写作——审阅与编辑、方法论。Ahmed Albahnasavi：写作——审阅与编辑。Azzam Abu Habib：写作——审阅与编辑。Laila Amalia Purba：写作——审阅与编辑。

**伦理批准**

不适用。

**资金**

本工作由Indahwater Konsortium（IWK）通过工业研究资助[R.J130000.7622.4C809]支持。资助方在研究设计、数据收集、分析或发表决定中没有参与。

**利益冲突声明**

作者声明没有已知的竞争性经济利益或个人关系可能影响本文所报告的工作。

本工作由Indahwater Konsortium（IWK）通过工业研究资助[R.J130000.7622.4C809]支持。资助方在研究设计、数据收集、分析、解释或发表本工作的决定中没有参与。作者没有其他相关的财务或非财务利益需要披露。

**致谢**

作者衷心感谢Indahwater研究中心（IWRC）在本研究资助号R.J130000.7622.4C809下对本研究提供的资金支持。

Amirul Aiman Rio Hendry | Hazlami Fikri Basri | Aznah Nor Anuar | Farhan Mohd Pauzi | Ahmed Albahnasavi | Azzam Abu Habib | Laila Amalia Purba