紫色光合细菌的快速造粒技术——用于高效废水处理和高价值资源回收

《Biochemical Engineering Journal》：Rapid Granulation of Purple Phototrophic Bacteria for Efficient Wastewater Treatment and High-Value Resource Recovery

紫光光合细菌（PPB）快速成团策略研究显示，Fe2?与阳离子聚丙烯酰胺（CPAM）协同白炽灯光照可显著加速颗粒形成（32天达200μm以上，最终稳定300μm+），COD去除效率达94%，资源回收价值提升至24.9美元/kg。

　　

彭晓帅|徐一峰|方振星|于思伟|方林川|赖鹏

教育部绿色利用关键非金属矿产资源重点实验室，武汉理工大学，中国武汉430070

摘要

紫色光合细菌（PPB）由于繁殖速度快且具有高价值，在废水资源回收方面具有巨大潜力，但其较差的沉降性能限制了生物回收的效果。本研究探讨了促进PPB快速颗粒化的策略。结果表明，颗粒化过程并不受特定光谱的显著影响，无论是单波长红外光还是宽谱白炽光，其颗粒化动力学都较为缓慢。然而，在白炽光下，添加阳离子聚丙烯酰胺（CPAM）或Fe²⁺显著加速了颗粒的形成，32天内平均粒径超过了200微米。与同类研究相比，启动时间缩短了36%，最终平均粒径稳定在300微米以上。20天后，添加添加剂的组别保持约94%的COD去除效率，去除速率为0.94千克COD/（立方米·天），明显优于仅使用光处理的对照组。关键的是，Fe²⁺的添加不仅使PPB的丰度提高了约69%，还促进了高价值色素（135±3毫克/克）和蛋白质（149±1毫克/克）的积累，从而实现了24.9±0.5美元/千克的潜在价值。本研究为工程化快速沉降的功能化PPB颗粒污泥提供了坚实的理论基础。

引言

紫色光合细菌（PPB）具有特殊的生理结构，使其能够根据变化的环境条件动态切换不同的能量和营养物质获取途径[1]，[2]。在废水处理过程中，它们不仅能够同时去除碳、氨和磷，还能在光能的作用下通过自身的代谢过程合成类胡萝卜素、细菌叶绿素、蛋白质和5-氨基乙酰丙酸等高价值资源[3]。PPB技术兼具污染物修复和资源回收的双重能力，因此在废水处理领域受到了广泛关注。然而，其细胞体积小、细胞外分泌物少以及显著的负ζ电位不利于PPB的沉降[4]，[5]。因此，需要采用混凝-絮凝、超滤或固定化等额外技术来回收细菌生物质，这增加了处理的复杂性和成本。因此，迫切需要开发更具成本效益且易于回收的替代方法来应对PPB生物质回收的挑战。

颗粒污泥技术为PPB生物质回收提供了一种高效可行的方法，其优异的沉降性能和结构稳定性显著降低了传统分离过程的成本和复杂性。一些近期研究已经证明了在特定操作条件下PPB颗粒化的可行性。例如，Stegman等人[6]分别使用低（2–5米/小时）和高（6–9米/小时）的上流速度作为连续流柱反应器的主要驱动力，经过50天的培养后获得了沉降速度超过30米/小时的PPB颗粒污泥。Yu等人[7]通过调节上流速度和添加钠离子（5克/升）以及钙和镁离子（各100毫克/升）的协同策略，成功培养出了沉降速度为77.98米/小时、中位粒径为255.48微米的PPB颗粒。这些结果表明，流体力学控制和离子环境的优化可以协同增强PPB的聚集能力。尽管如此，与一些成熟的厌氧颗粒污泥系统（33–43天）[8]相比，现有研究中PPB颗粒污泥的形成速度仍然较慢（需要超过50天），这延长了基于PPB的废水处理系统的启动时间，增加了运营成本，降低了处理效率，并可能在PPB颗粒形成过程中导致系统性能不稳定。因此，进一步探索加速PPB颗粒污泥工程应用的新方法至关重要。

颗粒污泥的形成和演变是一个多阶段的动态过程，其核心机制涉及微生物相互作用、胞外聚合物物质（EPS）的调控以及流体力学剪切力的协同作用。研究人员常用的增强微生物颗粒化的策略主要包括添加金属离子、絮凝剂以及接种特定微生物菌株[9]。例如，Fe²⁺不仅通过离子桥接作用增强细胞聚集，还通过氧化还原反应促进微生物聚集[10]，[11]；而阳离子聚丙烯酰胺（CPAM）通过强电荷中和和吸附桥接作用加速初始颗粒化[12]，[13]。然而，由于PPB的代谢复杂性，它们对这些策略的反应与其他污泥系统有所不同。Fe²⁺在光氧化环境中的潜在价态转变及其对PPB颗粒化动力学和结构稳定性的影响需要进一步研究。尽管CPAM可以提高沉降性能，但其改善PPB颗粒完整性和光合效率的能力尚未得到充分探索，因此需要深入研究其作为成核助剂的角色。此外，光驱动策略对光合微生物颗粒化也至关重要[14]。以往的研究探讨了单波长红外光（IFL）[6]和宽谱白炽光（IL）[7]对PPB颗粒污泥的影响，但由于条件不一致，难以进行比较。需要在其他环境变量保持不变的控制条件下进行系统研究，以阐明调控机制和内在差异。

因此，本研究旨在开发有效的策略来促进PPB颗粒污泥的快速形成，并评估其在混合培养序贯批次光生物反应器中的资源回收潜力。具体研究目标包括：a) 系统研究在全谱白炽光、短波长红外光、在白炽光下添加FeCl₂·4H₂O以及在白炽光下添加CPAM四种条件下PPB颗粒污泥的快速形成速率、粒径分布、沉降性能、强度和结构稳定性；b) 评估这四种条件对反应器COD去除效率的影响，特别关注它们对PPB中高价值细胞内资源（如蛋白质、色素）积累效率的影响，并量化不同颗粒化条件下的资源回收潜力；c) 深入分析这四种条件下形成的颗粒污泥中的微生物组成、多样性和动态演替，探讨光源转换和化学添加剂在塑造群落结构中的作用及其与颗粒化和功能性能的相关性；d) 根据颗粒污泥的特性、系统处理效率和资源产出，初步评估这四种颗粒化策略的实际工程应用价值，并为推广PPB颗粒污泥技术提供见解。

部分内容摘录

接种物和废水

在本研究中，PPB的接种物来自实验室规模的紫色非硫细菌膜生物反应器中的絮状污泥[15]，并转移到2.0升的序贯批次光生物反应器（SBPR，内径×高度：700×520毫米）中进行培养。目视检查确认接种物中不含大聚集体，但存在小规模的生物膜斑块。反应器中使用合成废水作为PPB的生长基质。

颗粒污泥的形成和稳定运行

如图1所示，不同处理条件下PPB污泥的颗粒化特性在其时间演变过程中表现出显著差异。就粒径增长而言（图1），单光源组（R1和R2）的颗粒形成轨迹完全一致。前40天内，它们的粒径增长极其缓慢，直到第44–48天才勉强达到颗粒污泥的最低标准（200微米）[25]。值得注意的是，

结论

本研究通过添加添加剂和调整光源条件，深入探讨了PPB的快速颗粒化过程。结果表明，添加适量的Fe²⁺可以在大约32天内触发PPB的快速颗粒化，最终平均粒径超过300微米。Fe²⁺还协同增强了代谢性能，有助于系统保持稳定的COD去除效率。

CRediT作者贡献声明

徐一峰：撰写 – 审稿与编辑、监督、方法论、研究。彭晓帅：撰写 – 初稿撰写、方法论、研究、数据分析、概念化。赖鹏：撰写 – 审稿与编辑、监督、项目管理、研究、资金获取、概念化。方林川：监督、方法论、资金获取。于思伟：撰写 – 审稿与编辑、方法论。方振星：撰写 – 审稿与编辑、方法论。

写作过程中生成式AI和AI辅助技术的声明

在准备本作品时，作者使用了AI工具来润色部分语句。使用该工具/服务后，作者根据需要审查和编辑了内容，并对发表文章的内容负全责。

利益冲突声明

作者声明没有已知的财务利益冲突或个人关系可能影响本文的研究结果。

致谢

作者感谢国家自然科学基金（编号42477068）、深圳市科技创新计划（编号JCYJ20230807121305010）、教育部长江水环境重点实验室基金（同济大学）（编号YRWEF202302）以及绍兴市科技创新项目（编号2024A13008）对本研究的支持。