《Bioresource Technology》：Construction of
Corynebacterium glutamicum for efficient secretion and production of recombinant proteins using the technology of ARTP mutagenesis and fluorescen activated droplet microfluidic screening
编辑推荐：
微藻-细菌絮状污泥（ABGS）内部溶解氧（DO）分布受光照和人工曝气影响显著，且与絮体尺寸密切相关。研究发现，人工曝气条件下直径约3mm的絮体中心0.8mm深度处DO仍接近0mg/L，而光照下经30分钟光合作用该深度DO超过4mg/L，表明不同供氧机制导致DO分布差异。絮体尺寸越大，内部DO梯度越明显，影响微生物代谢和反应路径。该成果为ABGS系统优化设计提供了理论依据。
李志晨|王倩|刘欣宇|袁天|宇积本敏夫|朴春植|李杜钟|马克·C·M·范洛斯德雷赫特|雷中芳
筑波大学生命与环境科学研究所，日本茨城县筑波市天之台1-1-1，邮编305-8572
摘要
藻-细菌颗粒污泥（ABGS）表现出明显的颗粒内溶解氧（DO）异质性。然而，不同充氧策略下的内部DO微环境仍不够清楚。本研究在黑暗、光照和人工曝气条件下对ABGS的颗粒内DO分布进行了表征。结果表明，颗粒内DO分布随颗粒大小而变化，并受到人工曝气和光合作用产生的氧的不同影响。在2.8 cm/s的空气上升速度下进行60分钟的人工曝气后，直径约3毫米的颗粒在大约0.8毫米深度处的DO浓度仍接近0 mg/L。相比之下，通过光合作用在原位产生的氧迅速提高了颗粒内DO水平，在相同深度处30分钟后超过4 mg/L。本研究表明，ABGS中的颗粒内DO可以根据不同的氧供应和消耗过程动态重组，这为ABGS的设计和运行提供了更深入的见解。
引言
藻-细菌颗粒污泥（ABGS）是一种新兴的生物废水处理技术，它结合了微藻和好氧细菌颗粒污泥（BAGS），利用了两者之间的协同优势。在ABGS系统中，微藻可以利用细菌呼吸释放的二氧化碳并通过光合作用产生氧气，为微生物生长和活动提供养分。这种互利互动不仅提高了污染物去除效率，还显著减少了通过机械或人工曝气产生的温室气体排放和能源消耗（Li等人，2025年；Wang等人，2020年；Wang等人，2024b年）。
溶解氧（DO）在各种生物过程中起着关键作用，包括有机物氧化、硝化和磷的吸收。在传统的絮凝活性污泥系统中，微生物可以均匀悬浮在混合液中，这使得混合液中的DO测量能够合理反映生物反应的实际环境条件。然而，在BAGS和ABGS系统中，微生物嵌入在紧凑且具有空间结构的颗粒中，质量传递的限制导致从外部到内部的DO和底物浓度梯度很大。因此，一个颗粒内可以同时存在好氧、缺氧和厌氧微环境。这些微环境对局部发生的生物反应至关重要，但混合液参数只能反映周围的整体情况，因此无法可靠地代表颗粒的内部微环境。在较大的颗粒中，这种差异更加明显，因为内部梯度较大，会强烈影响微生物的新陈代谢和反应途径（Bao等人，2024年；Wang等人，2023年）。
人工曝气和微藻光合作用是ABGS系统中的两种主要供氧策略，两者都可以增加混合液中的DO浓度。人工曝气提供的氧主要通过扩散进入颗粒，因此受到质量传递阻力和颗粒结构特性的限制（Toh等人，2003年）。同样，光合作用产生的氧也受到内部传输和消耗的影响；然而，由于它是在颗粒内部或附近产生的，因此可能以不同于混合液供应的氧的方式改变局部DO的可用性和梯度。文献中使用了“光合颗粒”（oxygenic photogranule）和“ABGS”这两个术语来描述类似的光养颗粒系统，因此在本研究中不再进一步区分。在这些系统中，如蓝细菌和绿藻等光合微生物可以显著贡献于原位的氧气生产，从而影响颗粒内的氧微环境（Castro等人，2024年）。光合层仅限于颗粒表面暴露于光照的区域。当颗粒大小超过某个临界阈值时，颗粒内部保持无光照状态，从而限制了通过光合作用途径的充氧。在之前的研究中，Abouhend等人（2020年）发现，当颗粒直径小于3毫米时，丝状蓝细菌在颗粒内相对均匀分布；而在直径大于3毫米的颗粒中，蓝细菌在外层越来越集中，内层较少，形成了明显的分层结构。此外，颗粒内DO的动态调节及其驱动因素尚未得到充分探索。在实际操作中，ABGS系统通常在周期性变化的环境条件下运行，例如序批操作、交替光照和黑暗以及/或间歇性曝气（Lyu等人，2025年），这可能导致颗粒内DO分布的时间波动。
因此，有必要系统地研究在黑暗、光照和人工曝气条件下ABGS内DO的空间分布和动态行为，并明确颗粒大小如何影响颗粒内的氧传输和微环境分层。为此，使用了DO微传感器来测量不同操作条件下的径向颗粒内DO分布，以及ABGS基质内选定深度随时间变化的DO情况。
章节片段
种子颗粒和合成废水
本研究中使用的ABGS样本来自一个已稳定运行约七年的母光序批反应器（SBR），用于处理合成生活废水。进水组成包括300 mg/L的化学需氧量（COD，通过添加CH?COONa）、30 mg/L的铵氮（NH??-N，NH?Cl）和5 mg/L的磷酸盐磷（PO?3?-P，KH?PO?）。反应器的工作体积为16 L，一个主要操作周期包括2小时的非曝气阶段
结果与讨论
据报道，ABGS在水力剪切和曝气诱导的扰动下会发展出球形或椭球形形态，且颗粒越大越接近球形（Xiong等人，2024年）。因此，本研究采用球形模型来模拟ABGS内的颗粒内DO分布。颗粒大小作为影响DO分布的关键因素被仔细考虑。选择了三种不同大小的颗粒作为测试样本，以平衡DO测量的准确性
结论
本研究实验性地表征了在黑暗、光照和人工曝气条件下ABGS内的颗粒内DO分布。微传感器测量结果显示，在这些不同操作条件下，空间DO分布存在明显差异。颗粒大小被确定为影响颗粒内DO微环境的重要结构因素，较大的颗粒表现出更稳定的缺氧/厌氧区域。
CRediT作者贡献声明
李志晨：撰写——初稿，可视化，调查，数据管理，概念化。王倩：方法学，概念化。刘欣宇：数据管理。袁天：监督。宇积本敏夫：监督。朴春植：撰写——审阅与编辑。李杜钟：撰写——审阅与编辑。马克·C·M·范洛斯德雷赫特：撰写——审阅与编辑。雷中芳：撰写——审阅与编辑，监督，资源管理，项目协调，资金获取，概念化。
利益冲突声明
作者声明以下可能被视为潜在利益冲突的财务利益/个人关系：李志晨报告称他获得中国留学基金委员会的支持，在日本筑波大学进行研究。雷中芳报告称他获得了日本学术振兴会的财务支持。如果还有其他作者，他们声明没有已知的财务利益或个人关系可能影响研究结果。
致谢
本研究得到了JSPS KAKENHI资助（编号：JP22K19863和JP24H00767）。第一作者感谢中国留学基金委员会（CSC，编号：202406330034）为他在日本筑波大学的研究提供的财务支持。
