四氧化三铁纳米颗粒加速微藻-细菌颗粒污泥启动：结构成熟先于光合稳定化

《Bioresource Technology》：Fast-tracking the start-up of microalgal-bacterial granular sludge with magnetite nanoparticles: structural maturation ahead of phototrophic stabilization

　　

微藻-细菌颗粒污泥（microalgal-bacterial granular sludge, MBGS）是一种新兴的污水处理技术，将好氧颗粒污泥（aerobic granular sludge, AGS）与微藻-细菌共生体系相结合，兼具颗粒污泥的紧凑结构、高生物量截留和优异沉降性能，以及微藻的光合产氧能力，是一种前景广阔的低碳污水处理途径。在MBGS中，微藻为细菌氧化有机物提供O?，而细菌为藻类生长提供CO?、营养物质和代谢产物，在颗粒基质内形成互利的代谢网络。这种相互作用尤为引人关注，因其可降低曝气需求从而减少能耗。在模拟或市政污水中的处理性能显著，部分情况下总处理效率超过95%，凸显了MBGS在碳和营养物协同去除方面的巨大潜力。MBGS的形成通常是一个渐进过程，涉及藻类附着、细胞聚集、胞外聚合物（extracellular polymeric substance, EPS）分泌和逐步的颗粒成熟。然而，尽管具有上述优势，MBGS的颗粒化仍相对缓慢，成熟颗粒的形成在某些情况下可能延长至40–50天以上，不稳定性或藻类冲刷会进一步延长启动时间。因此，加速颗粒形成对于该技术的实际应用至关重要，仍需有效的策略在保持颗粒稳定性和处理效率的前提下加快启动。

以往研究主要通过接种物优化、运行调控和添加促聚集材料来加速MBGS颗粒化。接种策略显示出明显的定量效果：当使用AGS代替活性污泥（activated sludge, AS）时，MBGS颗粒化时间从35天缩短至21天，第49天平均粒径达到807.3 μm而非679.0 μm。这种更快的聚集与更高的表面疏水性和显著更低的能垒相关。藻类来源也很重要：本地微藻在第56天形成稳定MBGS，而外源小球藻（Chlorella sp.）或斜生栅藻（Tetradesmus obliquus）需要63天，本地体系最大粒径达到1430 μm。此外，外部物理刺激已被证明有效。在弱静磁场下，MBGS完全颗粒化在第31天实现而非第51天，同时颗粒密度和EPS含量更高。光照调控也被探索作为启动控制策略；值得注意的是，3/3小时光/暗交替比传统12/12小时循环加速了MBGS形成，同时实现了67.1%的最高总氮（total nitrogen, TN）去除效率。近期，Kedves和Kónya证明连续添加5 mg/L壳聚糖尤其是壳聚糖纳米颗粒（nanoparticles, NPs）显著强化了颗粒化，将颗粒形成时间从对照的42天分别缩短至28天和14天。这些发现表明纳米级添加剂可能对加速早期聚集和颗粒成熟特别有效。

四氧化三铁纳米颗粒（Fe?O? NPs）是具有强磁性和相对低毒性的氧化铁纳米材料，使其成为基于污泥污水处理中有吸引力的添加剂。然而，其在工程生物过程中的应用应予以优化，因为高浓度Fe?O? NPs也可能对水生生物产生 adverse effects。在AGS系统中，Fe?O? NPs被认为是很有前景的颗粒化促进剂，因为它们能减少细胞间静电排斥、增强EPS分泌、改善生物量截留并强化聚集体稳定性。以往的AGS研究已报道了令人鼓舞的结果。Pan等人利用实际市政污水证明50 mg/L Fe?O? NPs将颗粒化率>70%所需时间从110天缩短至20天，Pan等人进一步证明每5天投加50 mg/L Fe?O? NPs实现了最快颗粒化，第45天颗粒化率83.9%、平均粒径0.51 mm。在合成废水条件下，Ren等人报道0.8 g/L Fe?O?投加通过刺激EPS分泌加速了AGS形成。此外，Fe?O?@聚苯胺进一步促进了颗粒化、增强了颗粒稳定性并改善了脱氮除磷性能。总的来说，这些发现表明磁铁矿基纳米材料能有效强化AGS启动和结构成熟；然而，其在MBGS系统中的应用尚未见报道。

因此，本研究的目的是评估Fe?O? NPs在光序批式反应器（photo-sequencing batch reactor, PSBR）中加速MBGS颗粒化的潜力。研究人员对补充10、50和100 mg/L Fe?O? NPs的反应器以及无NPs对照进行了比较评估，考察指标包括颗粒化时间、粒径发展、污泥特性、EPS分泌、光合色素含量、氮磷去除、微生物活性、微生物群落组成和颗粒形态。基于上述前期发现，研究人员假设Fe?O? NPs主要通过促进早期结构组装、EPS基质发展和生物量截留来加速MBGS启动。研究人员进一步假设这种结构加速将改善沉降性和营养物去除，而不会对光养富集造成不可逆抑制或使成熟微生物群落失稳。

# 四氧化三铁纳米颗粒加速微藻-细菌颗粒污泥启动的研究解读

## 研究背景与问题

微藻-细菌颗粒污泥（microalgal-bacterial granular sludge, MBGS）作为一种新兴的污水处理技术，将好氧颗粒污泥（aerobic granular sludge, AGS）的紧凑结构、高生物量截留和优异沉降性与微藻的光合产氧能力相结合，形成互利共生的代谢网络：微藻为细菌氧化有机物提供O?，细菌则为藻类生长提供CO?、营养物质和代谢产物。该技术可降低曝气能耗，在模拟或市政污水中总处理效率可超过95%，是实现碳和营养物协同去除的低碳路径。

然而，MBGS颗粒化过程相对缓慢，成熟颗粒形成可能超过40–50天，不稳定性或藻类冲刷会进一步延长启动期。此前加速颗粒化的策略包括接种物优化（使用AGS替代活性污泥可将颗粒化从35天缩短至21天）、光照调控（3/3小时光暗循环可加速颗粒化并实现67.1%的总氮去除）以及添加促聚集材料（壳聚糖纳米颗粒可将颗粒形成时间从42天缩短至14天）。在AGS系统中，四氧化三铁纳米颗粒（Fe?O? NPs）已被证实可减少细胞间静电排斥、增强EPS分泌、改善生物量截留并强化聚集体稳定性，50 mg/L Fe?O? NPs可将颗粒化率>70%所需时间从110天缩短至20天。然而，Fe?O? NPs在MBGS系统中的应用此前未见报道。本研究旨在填补这一空白，系统评估Fe?O? NPs加速MBGS颗粒化的潜力及其对结构成熟、光养富集和营养物去除的影响。

## 研究设计与技术方法

研究人员在四个实验室规模光序批式反应器（photo-sequencing batch reactor, PSBR）中开展实验，反应器工作体积1.4 L，高径比7:1，以匈牙利塞格德市政污水处理厂的活性污泥（activated sludge, AS）为接种污泥（初始MLSS 3.35 g/L，SVI? 143 mL/g），不外加藻种，微藻群落由土著生物量自发演化形成。四个反应器分别标记为R1（对照，不添加Fe?O? NPs）、R2（10 mg/L）、R3（50 mg/L）和R4（100 mg/L），在启动阶段每5天投加一次纳米颗粒，运行45天。合成废水组成为COD 1500 mg/L（葡萄糖）、NH?Cl 150 mg/L N、KH?PO? 15 mg/L P，COD/NH??-N/PO?3?-P比维持100:10:1。主要技术方法包括：溶胶-凝胶法合成Fe?O? NPs（平均粒径54.5±11.7 nm）；扫描电子显微镜-能量色散X射线光谱（SEM-EDS）表征颗粒形态与表面元素组成；傅里叶变换红外光谱（FTIR）分析表面官能团；热萃取法分离松散结合EPS（LB-EPS）和紧密结合EPS（TB-EPS）并分别定量蛋白质（PN）和多糖（PS）；湿筛分法测定粒径分布；特定氨氧化速率（SAOR）、特定亚硝酸盐氧化速率（SNOR）、特定硝酸盐还原速率（SNRR）和特定磷吸收速率（SPUR）测定微生物活性；宏基因组高通量测序分析微生物群落结构；以及基于化学计量合成反应估算微藻和细菌对碳、氮、磷去除的相对贡献。

## 研究结果

### 3.1 MBGS的培养

Fe?O? NPs改善了启动早期的沉降性能。第8天时R3和R4的SVI?已降至47和52 mL/g，而R1和R2仍为104和83 mL/g，表明Fe?O? NPs加速了松散絮体向密实聚集体的转化。R3和R4在第15天即达到>50%颗粒化阈值（分别为54%和58%），而R1和R2到第30天才达到。早期颗粒化速率从R1的1.0%/天增加到R2、R3、R4的1.6、2.5和2.7%/天。值得注意的是，Fe?O? NPs并未抑制长期光养富集，反而使最终色素含量更高：R4的叶绿素/类胡萝卜素含量达12.41/1.63 mg/g MLVSS，高于R1的7.78/0.93 mg/g MLVSS。但高剂量组的色素积累出现剂量依赖性延迟，表明结构成熟先于光合稳定化。质量平衡分析显示微藻对氮和磷同化的贡献在纳米颗粒投加反应器中略有提高（N为61.0–63.7%，P为31.6–32.9%）。

### 3.2 粒径分布与EDS表面表征

粒径分布分析证实Fe?O? NPs促进了小絮体向大聚集体的转变。第15天时R3和R4中>200 μm颗粒占比达54%和58%，显著高于R1的32%和R2的42%（p < 0.05）。第45天颗粒化率分别为R4 84%、R3 81%、R2 77%和R1 73%。Zeta电位分析显示第15天R1至R4的表面电荷分别为?11.8、?10.6、?8.7和?8.6 mV，表明Fe?O? NPs减少了静电排斥。EDS分析显示颗粒表面Fe原子百分比呈剂量依赖性增加（R1 0.04%至R4 0.26%），证实部分Fe?O? NPs或其转化产物保留在EPS丰富的颗粒基质中。

### 3.3 MBGS的形态与表面化学特征

第45天SEM图像显示R3和R4的颗粒大于R1和R2，所有颗粒表面相对光滑致密。R1和R2中丝状微生物更为丰富，而R3和R4中丝状丰度较低，这与改善的沉降性能一致。FTIR光谱未显示反应器间的显著谱带差异，表明Fe?O? NPs未改变成熟MBGS的主要表面化学特性或引起可检测的毒性表面修饰。

### 3.4 Fe?O? NPs诱导的EPS产生与组成变化

所有反应器的EPS含量在颗粒化过程中持续增加，但Fe?O? NPs明显加速了基质积累和组成转化。第15天时R3和R4的总EPS已达135.8和148.4 mg/g MLVSS，高于R1和R2的108.2和120.7 mg/g MLVSS。PN/PS比从种泥的0.97上升至第45天R1-R4的1.22、1.35、1.49和1.61，表明Fe?O? NPs促进了蛋白质富集的EPS基质形成。TB-EPS逐渐成为主导组分，尤其在R3和R4中，快速建立TB-EPS主导的基质与早期颗粒化相吻合。FTIR光谱中1640、1402、1250和1047 cm?1处的峰强度在R3和R4中最高，表明纳米颗粒投加增强了聚合基质内的键合相互作用。

### 3.5 Fe?O? NPs对营养物去除和微生物活性的影响

营养物去除方面，Fe?O? NPs对磷酸盐去除的促进作用最为显著。实验结束时R1的PO?3?-P去除效率仅为44.8%，而R2、R3和R4分别达86.4%、95.6%和81.6%，50 mg/L剂量下磷酸盐去除性能最佳。NH??-N去除方面，R1 effluent浓度为10.77 mg/L（去除率92.8%），而R2-R4显著更低（2.53、0.56和1.13 mg/L，去除率98.3%、99.6%和99.2%）。SAOR在各反应器间无显著差异，表明氮去除的改善主要归因于更快建立颗粒结构和更好的生物量截留，而非内在硝化活性的提高。磷酸盐去除的改善则归因于生物吸收与铁介导化学固定的共同作用。

### 3.6 MBGS发展的多变量分析

主坐标分析（PCoA）显示对照反应器与纳米颗粒投加系统在第15天即出现明显分离，而R2-R4在30和45天后趋同。Pearson相关分析表明Fe?O? NPs投加量与大多数颗粒化相关变量正相关，与MLSS、LB-EPS和TB-PS负相关，进一步证实纳米颗粒主要促进TB-PN合成和颗粒核心的稳定化。

### 3.7 Fe?O? NPs相关的微生物群落变化

微生物群落分析显示，第45天四个成熟MBGS群落的差异较小，表明纳米颗粒未破坏微生物群落的稳定性。种泥中最丰富的门为变形菌门（Proteobacteria, 59.7%）和放线菌门（Actinobacteria, 28.9%），成熟颗粒中放线菌门和变形菌门占比分别约为61%和33%。属水平上，Nakamurella从种泥的0.15%显著富集至R1-R4中的33.1%、31.5%、36.5%和46.1%，该属以EPS产生、生物膜形成和硝酸盐还原能力著称。Micropruina（>10%）和Streptomyces也是丰度较高的EPS相关属。与磷相关的Casimicrobium、Acidovorax和Microlunatus在纳米颗粒投加反应器中丰度高于R1，与更好的磷酸盐去除一致。丝状和EPS产生菌属的共富集表明，Fe?O? NPs主要通过塑造结构支撑性和功能稳健的微生物群落来加速MBGS形成。

## 结论

Fe?O? NPs投加有效加速了MBGS启动，促进了絮状污泥向稳定颗粒的转变。50和100 mg/L剂量下结构效应最强，将>50%颗粒化阈值的达成时间从30天缩短至15天，改善了沉降性并增强了早期EPS积累。Fe?O? NPs还促进了蛋白质富集和紧密结合的EPS基质发展，表明基质调控是加速颗粒化的主要机制之一。虽然高剂量下色素积累暂时延迟，但最终光养富集和微藻营养同化未受负面影响。纳米颗粒投加反应器的营养物去除性能改善，50 mg/L下磷酸盐去除的改善最为显著。微生物群落分析表明，Fe?O? NPs有利于结构支撑性和磷相关类群的富集，未使成熟MBGS微生物组失稳。总体而言，Fe?O? NPs主要作为MBGS形成的早期结构促进剂发挥作用，在测试条件下50 mg/L为最佳运行剂量，因为该剂量实现了快速启动和最高磷酸盐去除，且纳米材料投入低于100 mg/L。