《Chemical Engineering Journal》：LDH/sponge promotes nitrogen and phosphorus removal in SBBR reactors by enhancing biofilm development and microbial functional: Evidence from metagenomic analysis
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本研究开发LDH改性多孔泡沫载体用于序批式生物膜反应器（SBBR），显著提升同步脱氮除磷效率（TN去除率提高29.7%，TP降低至0.05 mg/L）。机制分析表明，LDH通过表面功能基团增强微生物附着（EPS分泌增加68.6%），调控电化学特性促进电子传递，并抑制群体感应基因（lsrR、luxABCD、bapA）表达，促使微生物群落从好氧型向兼性厌氧型转变，实现高效稳定脱氮除磷。
Jiani Zhang|Zeyu Li|Jincheng Fu|Ting Li|Yujiao Wang|Yin Xu
中国湖南省湘潭市湘潭大学环境与资源学院环境系，邮编411105
摘要
序批式生物膜反应器（SBBRs）在集成生物反应器配置中可以实现高效率的污染物去除，但其性能通常受到传统海绵载体上生物膜发育不足和电子传递效果差的限制。本研究制备了一种层状双氢氧化物（LDH）改性的海绵，以加速生物膜形成并提高营养物质去除效率。LDH/海绵反应器的出水总氮浓度降至13.1 mg/L，相比传统海绵系统，氮去除率提高了29.7%。同时，LDH作为高效的磷酸盐吸附剂，使出水总磷浓度从2.38 mg/L降至0.05 mg/L，显著增强了磷的去除效果。性能的提升归因于LDH的协同物理化学和生物效应：表面官能团及静电相互作用促进了微生物附着，并刺激了细胞外聚合物（EPS）的分泌（增加了68.6%），这一现象通过扫描电子显微镜观察到的更密集的生物膜结构得到了证实。宏基因组分析显示，调控生物膜形成和稳定的群体感应基因（lsrR, luxABCD, bapA）显著上调。电化学测量进一步表明LDH/海绵生物膜的氧化还原活性增强，微生物电子传输效率提高了30%。LDH通过同时促进生物膜发育和调节界面电化学行为，引导微生物群落从严格需氧物种向兼性需氧菌和厌氧反硝化细菌转变。这种氧化还原分层的微环境促进了高效的反硝化作用（SND），并伴随着反硝化基因（nirK/S, norC, nosZ）的上调。总体而言，本研究阐明了LDH改性载体通过结构、电化学和群体感应机制增强生物膜功能的作用机制，为设计高效可持续的SBBR系统提供了理论基础。
引言
随着全球人口的快速增长和工业化的加速，废水产生量持续增加，给污水处理厂带来了巨大压力[1]。传统生物脱氮过程中，硝化作用和反硝化作用发生在空间分离的需氧区和缺氧区，需要精确的氧气控制和充足的有机碳供应[2]，这些操作限制导致了高能耗，限制了污水处理的可持续性。在这种背景下，同步硝化反硝化（SND）作为一种有前景且节能的策略应运而生，它能够在单一反应器内实现铵的需氧氧化和硝酸盐的厌氧还原[3]。
序批式生物膜反应器（SBBR）是实现SND的理想配置[2]。附着在载体表面的生物膜中，由于微生物的氧气消耗，会产生自然溶解氧梯度。因此，生物膜的外层保持需氧状态，支持硝化作用；而内部区域则变为缺氧或厌氧状态，发生反硝化作用[4]。这种微尺度氧化还原分层使SND能够高效稳定地进行。然而，SBBR过程的有效性在很大程度上取决于生物载体的性能[5]。传统海绵载体通常具有有限的比表面积、较低的微生物亲和力和较差的电子传递能力，导致生物膜发育缓慢、结构强度弱以及反硝化活性受限[6]。因此，提高载体的生物亲和力和电子导电性对于促进强健的生物膜生长和在需氧条件下降低SND效率至关重要。
近年来，粘土矿物因其天然丰富性、可调的表面性质和易于功能化而受到越来越多的关注[7]。它们的高比表面积和多孔结构为微生物附着提供了大量位点，其带正电的表面促进了与带负电微生物细胞的静电吸引，从而有利于初始附着[8],[9]。其中，层状双氢氧化物（LDHs）具有优异的结构可控性、良好的生物相容性、强的磷酸盐亲和力和内在的氧化还原活性。先前的研究表明，LDHs可以通过调节表面电荷和层间离子交换来影响微生物附着和代谢，从而提高生物处理系统中的生物膜稳定性和氮去除效率[10],[11]。
尽管这些物理化学特性已被证明有助于生物膜形成，但LDH诱导的增强作用背后的生物学机制仍不甚清楚。生物膜的成功建立和成熟受到群体感应（QS）的调控——这是一种细胞间通信过程，根据细胞密度的变化来调节微生物行为[12]。当信号分子浓度达到阈值时，QS会激活一系列基因表达，促进细胞外聚合物（EPS）的合成和分泌，增强微生物附着，并驱动三维生物膜结构的形成[13]。然而，许多关于QS的生物膜研究是在相对孤立的框架下进行的，最常见的方法是添加外源性信号分子（例如不同链长的AHLs）或使用抑制剂/淬火剂来研究QS调控。虽然这些方法验证了QS的功能，但它们对载体材料在反应器运行过程中如何影响QS信号的生成和积累了解有限。鉴于LDHs的可调氧化还原活性、层状结构和吸附能力，可以合理假设LDH促进的生物膜形成不仅仅是简单的物理化学相互作用，还与QS信号环境的变化有关，这一方面尚未得到充分探索。
最近的研究表明，某些功能性材料（如石墨烯、碳纳米管和层状复合材料）可以通过富集QS活性细菌群体和促进信号分子传递来调节QS过程，从而更有序地引导生物膜发育[14],[15]。鉴于LDHs具有可调的氧化还原活性、层状结构和强吸附能力，可以合理假设它们对生物膜形成的促进作用可能不仅限于简单的物理化学相互作用，还可能涉及QS信号的主动调节——这一机制尚未得到充分研究。
基于这一假设，本研究开发了一种LDH改性的海绵复合材料载体，并将其应用于实验室规模的SBBR系统中，以阐明LDH增强生物膜形成和污染物去除效率的机制。具体而言，本研究系统评估了LDH/海绵反应器的氮和磷去除性能，阐明了LDH诱导的形态演变、电化学行为和微生物群落结构的变化，并通过宏基因组分析探讨了LDH在生物膜形成和群体感应信号分子分泌中的调控作用。这些发现为材料性质、微生物组织和代谢调节之间的协同作用提供了新的见解，为设计高效节能的生物膜系统以实现可持续废水处理提供了理论指导。
LDH/海绵的制备
LDH/海绵的制备过程如图S1所示：将2克CS加入100毫升0.5%（w/w）的醋酸水溶液中，直至CS完全溶解。然后，在持续机械搅拌下，将2克ZnFe-LDHs粉末加入100毫升蒸馏水中，并超声处理30分钟。将所有LDH溶液倒入CS溶液中，同时加入聚氨酯（PU）海绵并搅拌3小时。PU海绵均匀地涂覆了LDH浆液后放置其中
LDH/海绵对SBBR过程性能的影响
长期运行（120天）分为三个阶段：传统活性污泥系统（空白组）、填充海绵的系统（海绵组）和LDH改性海绵系统（LDH/海绵组）。如图1A–C所示，三种反应器的营养物质去除效率有所不同。出水总氮（TN）浓度从空白组的19.5 mg/L降至海绵组的18.3 mg/L，进一步降至LDH/海绵组的13.1 mg/L（P < 0.05）。同样，总磷（TP）浓度也有所下降
结论
本研究开发了一种LDH改性的海绵作为多功能生物载体，并成功应用于SBBR中，以增强生物膜形成并提高氮和磷的去除效率。与传统载体相比，LDH/海绵反应器的TN去除效率提高了17.9%，TP去除效率提高了68.5%。这种改进源于材料与微生物之间的协同作用。LDH的加入促进了EPS的分泌，加速了微生物的生长
CRediT作者贡献声明
Jiani Zhang：撰写初稿、实验研究、数据整理。Zeyu Li：撰写初稿、实验研究、数据分析。Jincheng Fu：数据整理。Ting Li：方法学研究。Yujiao Wang：方法学研究、数据分析。Yin Xu：撰写、审稿与编辑、方法学研究、资金获取、概念构思。
利益冲突声明
作者声明没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文的研究结果。
致谢
本研究得到了国家自然科学基金（编号22206161）、湖南省自然科学基金（编号2022JJ40426）和国家自然科学基金（编号52270079）的支持。
