电子穿梭体驱动微藻-厌氧氨氧化工艺的启动及功能性能评估

《Bioresource Technology》：Start?up and functional performance assessment of electron-shuttling-driven microalgal–anammox process

　　- *C. vulgaris* 将厌氧氨氧化启动期从68天缩短至46天，缩短了31.88%。- RAM系统使氮去除率（NRR）和磷去除率（PRR）分别提高了20.92%和24.70%。- EPS提供了更优的电子穿梭能力，并将HDH活性提高了48.57%。- ABSS增强了光合作用、碳固定和氮代谢通路。## 引言大量富含氮和磷的废水被排入自然水体，加剧了广泛存在的富营养化危机（Du等，2023）。厌氧氨氧化（anammox）被广泛认为是一种有前景的自养型脱氮工艺（Li等，2025）。然而，反应器的长启动期是制约厌氧氨氧化技术大规模工程应用的关键瓶颈之一（Wang等，2024a；Wang等，2024b）。Wang等（2023）报道，在适宜的温度和pH条件下，厌氧氨氧化反应器通常需要120–259天才能达到较高的脱氮速率。因此，需要有效的策略来缩短反应器启动期。启动过程依赖于厌氧氨氧化代谢活性的建立和增强，因此鉴定调节该活性的因素具有重要意义。关键功能酶和相关的电子传递过程位于厌氧氨氧化代谢的核心。联氨脱氢酶（HDH）催化联氨氧化生成N?并释放电子（Hagglund等，2026；H?gglund等，2026）。Jiang等（2024）通过代谢蛋白质组学分析表明，HDH和联氨合酶（HZS）与脱氮功能表现密切相关，突显了关键酶活性在厌氧氨氧化代谢中的重要性。Gamoń等（2025）进一步报道，HDH相对活性的增加伴随着比厌氧氨氧化活性的增加。这些发现表明，增强HDH活性可以有效强化厌氧氨氧化代谢。电子传递可能是调节这些酶过程的重要途径。Zhao等（2025）报道，中性红作为电子传递 mediator，显著提高了厌氧氨氧化系统中多种酶的活性和反应速率，改善了整体代谢功能表现。这些发现暗示电子传递的调节可以间接增强关键酶功能。因此，电子传递和HDH活性可能是调节反应器启动期间厌氧氨氧化代谢的重要因素。微生物间的相互作用可以通过代谢合作和代谢中间体的交换来影响厌氧氨氧化代谢。Zhang等（2023a, 2023b）报道了反硝化细菌与厌氧氨氧化菌（AnAOB）之间的交叉供养。其他氮转化微生物也可以提供支持厌氧氨氧化活性的中间体（Zhang等，2024）。在这些微生物共生系统中，微藻-细菌共生系统（ABSS）在废水处理领域日益受到关注。微藻利用光能固定CO?，而细菌循环碳和营养元素，这种功能互补支持了营养元素转化和污染物去除（Aditya等，2022）。Qv等（2023a）报道，含有Sordaria sorokiniana和活性污泥的共生系统中总氮去除率约为65%，总磷去除率约为43%。Shu等（2023）报道，小球藻-细菌系统中COD、总磷和总氮去除率分别约为82%、83%和85%。我们此前的含*C. vulgaris*和AnAOB的ABSS在最优条件下实现了约60%的总氮和86%的PO?3?-P去除率（Qiao等，2026）。这些结果支持将微藻与AnAOB耦合以实现氮磷同步去除。然而，这些相互作用如何影响厌氧氨氧化反应器启动仍 largely 未被探索。除了整体共生关系外，微藻胞外分泌物也可能调节细菌活性。Zhang等（2023a, 2023b）报道了在真实废水中*C. vulgaris*与土著细菌之间存在双向胞外代谢物交换，增强了双方的代谢活性，共培养系统实现了约56%的总氮和94%的总磷去除，优于单培养表现。Yu等（2023）也报道了*C. vulgaris*与假单胞菌属（*Pseudomonas* sp.）之间的双向代谢物交换，硝酸盐去除速率达到129.6 mg·L?1·d?1，比单培养高约27%。Wang等（2025）发现反硝化细菌优先利用藻类分泌物中的不饱和脂肪族化合物和类木质素物质作为内源碳源，反硝化基因表达增加，硝酸盐去除能力比纯菌系统高约169%。这些研究表明，微藻分泌物可以支持细菌代谢和污染物去除。在这些物质中，胞外聚合物（EPS）可能通过具有潜在电子穿梭活性的组分参与微生物电子传递。然而，其在厌氧氨氧化启动中的作用仍不明确，尤其是微藻EPS是否促进电子传递并影响HDH等关键酶。基于上述考虑，本研究构建了含*C. vulgaris*的基于厌氧氨氧化的ABSS，以评估微藻引入对厌氧氨氧化反应器启动的影响并探讨其容量机制。本研究旨在：(i) 评估ABSS对厌氧氨氧化反应器启动及后续氮磷去除功能表现的影响；(ii) 研究源自*C. vulgaris*的EPS在电子传递和HDH活性调节中的容量作用；(iii) 利用宏基因组分析表征长期运行期间微生物群落结构和代谢功能的变化。## 片段摘录### 微生物和培养基种子活性污泥采集自南昌市青山湖污水处理厂（江西省南昌市）。接种的厌氧AnAOB来自江西省农业废弃物资源化利用产教融合创新中心的实验室长期培养和驯化。接种的*C. vulgaris*（FACHB-1）由江西省淡水研究所提供，在BG11培养基中培养。### 启动期在厌氧氨氧化反应器初始启动期间，无序细胞发生裂解，有机氮随后转化为氨，导致氨氮浓度甚至高于进水浓度。RA和RAM的峰值出水NH??-N浓度分别达到74.36 mg/L和62.41 mg/L。此阶段被定义为细胞裂解期（Bi等，2014）。同时，异养反硝化细菌的生长速度远快于自养AnAOB，因此……### 结论引入*C. vulgaris*将厌氧氨氧化启动期从68天缩短至46天，并将氮和磷去除率分别提高了21%和25%。微藻EPS在100 mg/L浓度下将HDH活性提高了49%，在CoQ萃取后恢复活性。这些发现表明EPS介导的电子传递与HDH活性之间存在关联，为加速厌氧氨氧化建立提供了可能的解释。本研究强调了微藻整合和EPS补充作为潜在策略的重要性。### 伦理声明本手稿中未呈现动物研究。本手稿中未呈现人类研究。本研究中未呈现可能具有可识别性的图像或数据。### CRediT作者贡献声明**乔子雨（Ziyu Qiao）：** 撰写-初稿、可视化、验证、方法学、调查、数据整理、概念构思。**魏子辛（Zixin Wei）：** 撰写-审阅与编辑、可视化、监督、项目管理。**袁明辉（Minghui Yuan）：** 撰写-初稿、方法学、概念构思。**魏利娥（Li'e Wei）：** 撰写-初稿、验证、调查、形式分析。**胡梦蝶（Mengdie Hu）：** 撰写-初稿、验证、方法学、形式分析、概念构思。**宋凯伦（Kailun Song）：** 撰写-审阅与……### 利益冲突声明作者声明，他们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。### 致谢本工作得到了国家自然科学基金（编号：56120002）、苏州科技大学市政污水资源化利用技术与国家地方联合工程实验室（编号：2022KF03）的支持。作者感谢苏州德奥博特新材料有限公司（www.dy-test.com）在材料表征方面提供的支持。图形支持由Figdraw提供。乔子雨 | 魏子辛 | 袁明辉 | 魏利娥 | 胡梦蝶 | 宋凯伦 | 毕震 | 秦西康 | 尹鑫