钙和镁对紫色光合细菌混合菌群聚集的影响

《Journal of Chemical Technology & Biotechnology》：The effect of calcium and magnesium on the aggregation of a purple phototrophic bacteria mixed consortium

　　

背景：应用紫色光合细菌（PPB）技术进行废水处理的一个关键方面是生物质从水相中的分离。Ca²⁺和Mg²⁺已被用于增强不同生物基质的聚集。本研究评估了Ca²⁺和Mg²⁺对PPB混合培养物聚集的影响。研究人员评估了关键物理化学参数，包括胞外聚合物（EPS）分离与表征、Zeta电位和粒径，以阐明PPB聚集的机制。结果：单独使用Ca²⁺以及Ca和Mg的组合增强了生物质的分离。Ca²⁺的存在有效增加了PPB的疏水性和粒径。Ca²⁺和Mg²⁺的组合将细胞疏水性提高至75%。所得PPB聚集体的污泥体积指数（SVI）和沉降速度分别为26?±?4?mL?g^?1和3.5?±?0.2?m?h^?1。证据表明，Ca²⁺与多糖的相互作用促进了聚集，并减少了亲水性结构重排的暴露，使其成为主要的聚集机制，而非双电层压缩。结论：研究人员的结果表明，由于高疏水性和潜在的EPS结合现象，Ca和Mg的组合增强了PPB混合培养物的聚集能力。研究人员的策略允许形成具有良好沉降性能的絮状PPB聚集体。

**论文解读：钙镁离子对紫色光合细菌混合菌群聚集的影响**

**研究背景与问题**
紫色光合细菌（PPB）在废水处理中具有应用潜力，但低细胞密度和小尺寸导致生物质收获困难，是工艺瓶颈。生物聚集可有效提高生物质滞留与分离效率，但PPB的聚集性较差，原因在于其有效Hamaker常数小（20.8 mJ m^?2）以及细菌颗粒与水之间的正界面自由能（ΔG），导致悬浮液稳定。Ca²⁺和Mg²⁺等二价阳离子可通过压缩双电层、中和电荷或桥接胞外聚合物（EPS）成分促进聚集，但针对PPB混合菌群的研究有限。已有研究多集中于纯菌株，如Rhodobacter capsulatus或Rhodopseudomonas faecalis，而混合培养物在开放体系中的聚集行为及钙镁阳离子的协同作用尚不明确。因此，本研究旨在评估Ca²⁺和Mg²⁺对PPB混合菌群聚集的影响，并阐明其机制，为实际应用提供依据。论文发表在《Journal of Chemical Technology and Biotechnology》。

**关键技术与方法**
研究人员从墨西哥克雷塔罗（Queretaro）某污水处理厂采集活性污泥，获得以Rhodopseudomonas（>80%）为主的PPB混合菌群。采用柱式反应器（1 L）在无光缺氧条件下运行，采用多水平实验设计，分别添加不同浓度Ca²⁺（25、50 mg L^?1）和Mg²⁺（25、50 mg L^?1）及其组合（Ca25+Mg25）。通过沉降实验测定污泥体积指数（SVI）和沉降速度；利用微生物碳氢化合物粘附（MATH）测试评估疏水性；提取并量化游离EPS（F-EPS）和紧密结合EPS（B-EPS）中的多糖（PS）和蛋白质（PN）；采用动态光散射（DLS）和Zeta电位分析仪测定胶体粒径和多分散性指数（PDI）；利用傅里叶变换红外光谱（FTIR）分析EPS官能团变化；通过16S rRNA基因全长测序（PacBio平台）表征悬浮和聚集态微生物群落。

**研究结果**

*Effect of cations on the aggregation of PPB*
在低Ca²⁺或Mg²⁺浓度及对照处理中，生物量浓度较低；而Ca/Mg组合处理（Ca25+Mg25）获得最高生物量浓度，表明其生物质保留和沉降性能最优。Ca²⁺单独添加使疏水性提高3.0–3.3倍，Mg²⁺单独添加提高1.5–2.5倍，而Ca/Mg组合使疏水性提高6.6倍（达71.3%）。Ca/Mg组合形成粒径达700 μm的聚集体，沉降率75%。Ca50和Ca/Mg处理的SVI为26±4 mL g^?1，沉降速度为3.5±0.2 m h^?1，优于活性污泥的典型良好值（98 mL g^?1和2 m h^?1）。Ca²⁺对聚集的促进作用强于Mg²⁺，且两者组合呈现协同效应。

*Effect of cations in EPS production*
高Ca²⁺或Mg²⁺浓度下，F-EPS浓度持续较低，表明阳离子促进了F-EPS向B-EPS的转化或结合。B-EPS中PN为主要成分（平均PN/EPS=0.73±0.09）。PS含量受阳离子浓度影响：Ca50、Mg50和Ca/Mg处理中PS/EPS比例从对照的0.23升至最高0.39（Ca/Mg）。PS增多可能通过羟基和羧基与阳离子结合，促进细胞聚集。

*Effect of cations on the physical–chemical properties of PPB aggregation*
Zeta电位在各处理间无显著差异（-21至-30 mV），表明双电层压缩并非主要机制。Ca²⁺处理（Ca25、Ca50）的胶体平均粒径增大（1365 nm和1158 nm），PDI降低（0.58和0.24），表明形成更均匀的大聚集体。Ca/Mg处理平均粒径最大（2496 nm），PDI最低（0.30），呈现协同效应。FTIR显示，Ca²⁺存在时O–H峰（3290 cm^?1）增强，且1408 cm^?1处观察到COO–对称伸缩峰变化，提示Ca²⁺与多糖羧基形成COO^?-Ca²⁺-COO^?复合物，该桥接作用促进EPS结构重排，降低亲水组分暴露，从而增加疏水性。因此，主要聚集机制为Ca²⁺与多糖的相互作用，而非双电层压缩。

*Characterization of the microbial community in PPB aggregates*
悬浮群落以Rhodopseudomonas为主，但在Ca/Mg处理形成的聚集体中，Acinetobacter（从<6%升至32%）和Exiguobacterium（升至11%）的相对丰度显著增加。Acinetobacter已知可作为桥接微生物促进非直接聚集菌体间的连接；Exiguobacterium则具有高表达EPS相关基因和群体感应基因的能力，可促进聚集。这表明微生物互作（如桥接物种）与Ca²⁺/Mg²⁺的物理化学作用共同贡献于PPB聚集体的形成。

**总结与讨论**
本研究证实，从活性污泥获得的PPB混合菌群在缺氧光异养条件下7天内可形成聚集体，且聚集过程并非由双电层压缩主导，而是由Ca²⁺与EPS中多糖的桥接作用触发，伴随EPS结构重排和疏水性增加。Ca²⁺和Mg²⁺组合（各25 mg L^?1）可协同增强疏水性和粒径，形成具有良好沉降性能的致密聚集体（SVI 26±4 mL g^?1，沉降速度3.5±0.2 m h^?1）。此外，微生物群落中Acinetobacter和Exiguobacterium等桥接菌的富集可能进一步促进聚集。该研究拓展了PPB混合菌群聚集的知识，并解决了实际应用中的生物质分离瓶颈。未来研究可采用下一代测序（NGS）和生物信息学方法进一步评估微生物互作在聚集中的作用。

**研究结论翻译**
从活性污泥获得的PPB混合培养物，在柱式反应器中于缺氧光异养条件下，7天内可形成聚集体。结果表明，聚集并非由双电层压缩控制，而是由EPS（尤其是多糖）与Ca²⁺的结合触发，从而促进PPB聚集。Ca²⁺和Mg²⁺各25 mg L^?1的组合增强了疏水性和粒径，形成具有良好沉降性能的致密PPB聚集体。本研究扩展了PPB混合菌群聚集的知识，并解决了一个实际问题。