处理合成废水的新型 HN-AD 细菌 - 小球藻系统在顺序累积聚乙烯微塑料（PE-MPs）暴露下的耐受阈值与衰退机制的多组学分析

《Process Safety and Environmental Protection》：Multiomics analysis of the tolerance thresholds and decline mechanisms under sequential cumulative PE-MPs exposure in a novel HN-AD bacteria- Chlorella system treating synthetic wastewater

　　

摘要
为解决传统细菌 - 藻类共生系统在处理高氨氮废水方面的局限性，建立了一种由异养硝化 - 好氧反硝化（HN-AD）细菌和小球藻组成的新型共生系统，以处理暴露于持续积累聚乙烯微塑料（PE-MP）的合成高氨氮废水。该菌群在 3.0 g·L-1 的范围内保持了部分功能，而在高负荷条件下协同作用恶化。在 3.5 g·L-1 时，与对照组相比，NH4+-N 和总磷去除率分别下降了 16.52% 和 16.83%。氨单加氧酶（AMO）和硝酸盐还原酶（NR）活性分别下降了 75.8% 和 63.7%，而硝化活性和叶绿素 a 含量分别下降了 40% 和 15.8%。宏基因组分析显示，与对照组相比，固氮螺菌属的相对丰度下降了 18.8%，而红球菌属增加了 5.0%。关键基因 napAB 和 nasCDE 的相对丰度分别下降了 54.3% 和 41.6%。galU 和 ugd 相对丰度的下降与胞外聚合物（EPS）产量的下降以及 PN/PS 的 59%–65% 减少相一致。代谢组学揭示了氮和磷代谢的变化，以及 EPS 相关代谢物水平的降低。这些结果确定了在这些特定持续暴露条件下约 3.0 g·L-1 的性能转变，并为优化细菌 - 藻类废水处理系统提供了见解。

引言
畜禽废水（LPBW）具有高浓度的氮和磷、成分复杂以及波动显著的特点（Qin 等，2025）。厌氧消化广泛用于 LPBW 的处理和能源回收。该过程产生的沼渣仍含有大量有机物和氮磷化合物；因此，通常采用好氧生物处理对沼渣进行后处理，以实现低成本的后处理。因此，开发高效、节能且稳定的生物技术具有重要意义。异养硝化 - 好氧反硝化（HN-AD）细菌是处理 LPBW 的极具前景的功能微生物，因为它们可以同时执行硝化和反硝化，并能很好地适应高有机物和高氨氮浓度环境（Khanichaidecha 等，2018）。我们之前的研究表明，HN-AD 细菌菌群具有对氨氮的强内在耐受性，耐受浓度从 200 增加到 1000 mg·L?1（Zhang 等，2020）。然而，单菌株 HN-AD 系统通常需要高曝气速率来维持代谢活性，导致运行能耗高，并且通常面临除磷方面的限制。相比之下，微藻通过光合作用吸收二氧化碳并释放氧气，从而为好氧细菌提供溶解氧。它们还同化氮和磷等营养物质，从而减少曝气需求并增强系统的整体处理能力（Ahmad 等，2019）。之前的研究发现（Li 等，2023），细菌 - 藻类共生系统在 LPBW 处理中的应用主要集中在废水中微藻与单细菌菌株的共生（Chen 等，2025）以及污泥 - 藻类共生系统上；然而，关于涉及微藻和 HN-AD 复合微生物因子的共生系统的研究有限。我们之前的研究发现，小球藻是一种常见的耐受性微藻，可以与 HN-AD 细菌形成新型共生系统。该系统的建立将小球藻的氨氮耐受性提高到了 500 mg·L?1。与单 HN-AD 细菌系统相比，总氮和总磷的去除效率分别提高了 28.88% 和 67.56%（Zhang 等，2021）。小球藻的添加显著增加了优势 HN-AD 细菌的丰度（Zhang 等，2022）。因此，我们假设 HN-AD 细菌 - 小球藻共生系统会比任何单培养表现出更强的抗高氨氮应力能力和更优的氮磷去除能力。然而，目前关于 HN-AD 细菌 - 小球藻系统的研究主要局限于工艺性能优化，例如调整 COD/TN 比或应用外源群体感应信号分子（Qin 等，2025）。

尽管该共生系统具有优势，但其运行稳定性日益受到塑料产品广泛使用和不当处理的威胁，这使得微塑料成为 LPBW 中普遍存在的新兴污染物。在各种类型的聚合物中，聚乙烯（PE）是使用最广泛的塑料，因此也是废水中最常检出的微塑料（Geyer 等，2017）。在集约化系统和处理高负荷有机废水等特定场景下，塑料网、管道和包装材料的降解可能导致出水中 PE 微塑料的大量积累（Zhou 等，2021）。PE-MP 的密度为 0.91 至 0.96 g·cm-3，倾向于悬浮在水体的表层和透光区，增加了与微藻接触和物理干扰的可能性（Hale 等，2020）。现有的微塑料胁迫研究主要集中在传统活性污泥或单功能细菌系统（Guo 等，2020；J. Li 等，2020；Song 等，2021）。现有研究（Li 等，2025）表明，在单 HN-AD 细菌系统中，2.5 g·L-1 的 PE-MP（粒径 100 μm）对反硝化产生了强烈的负面影响。PE-MP 在水生环境中积累，破坏生物膜结构，抑制关键代谢酶活性，并改变微生物群落组成（Bakaraki Turan 等，2021，Zheng 等，2022）。

然而，藻菌共生系统在 MP 胁迫下的功能稳定性并不是单个微生物耐受性的简单总和。PE-MP 的悬浮特性可能会特别加剧遮光效应，破坏胞外聚合物（EPS）的分泌，并中断细菌 - 藻类界面的代谢交叉对话（Hou 等，2022）。现有研究表明（Jin 等，2025），在微塑料胁迫下，小球藻可以通过基因调节维持甚至增强其代谢功能，从而提高共生系统的恢复力。虽然 MP 在废水中通常以相对较低的浓度存在，但高剂量暴露（例如 2–5 g·L-1）常用于研究毒性机制，并代表污泥中加速的局部积累（Yang 等，2023，Golwala 等，2024）。我们之前的研究确定 1.4 g·L-1 为纯异养硝化 - 好氧反硝化（HN-AD）菌株的抑制阈值，测试浓度高达 2.5 g·L-1（Li 等，2025）。由于预计细菌 - 藻类相互作用有助于在胁迫下维持功能，因此应用了更广泛的 PE-MP 梯度（0–7.5 g·L-1）来表征 HN-AD 细菌 - 小球藻共生系统从初始适应到性能严重恶化的反应。这些暴露水平并非旨在重现典型的环境浓度，而是代表工程合成废水系统中 PE-MP 顺序积累的加速高负荷场景。之前的研究主要考察了短期暴露、单个细菌或藻类种群或孤立的性能指标。然而，HN-AD 细菌 - 小球藻共生系统的长期反应仍知之甚少，特别是关于污染物去除、酶活性、EPS 特性、微生物群落、功能基因和代谢物谱的协调变化。

我们假设该共生系统将对 PE-MP 的累积暴露表现出阶段性反应：低至中等负荷可以维持部分功能稳定性，而高负荷将超过耐受阈值，从而引发多层次的不稳定性，包括性能下降、微生物群落重组、与氮磷代谢相关的基因变化以及代谢紊乱。具体而言，本研究的主要目标是：（1）评估共生系统在不同 PE-MP 积累场景下的功能稳定性并确定临界耐受阈值；（2）通过宏基因组分析阐明微生物群落结构和核心功能基因（氮和磷代谢）丰度对 PE-MP 胁迫的具体反应；以及（3）利用非靶向代谢组学揭示 PE-MP 诱导的潜在多层次失稳机制和特定代谢途径紊乱。

章节片段
实验装置和操作条件
本实验使用了一种结合磁力搅拌器和水浴的装置。选择 1000 mL 锥形瓶作为反应容器，实际液体体积保持在 500 mL。实验在同一反应器中进行，微塑料浓度从低到高。搅拌速度保持在 300 ± 50 rpm，温度设置在 30 至 32°C 之间。由 5 W 白色 LED 灯（2000 ± 200 lux）提供连续白光照射。曝气
PE-MP 对 HN-AD 细菌 - 小球藻共生系统处理效率的影响
为了评估 HN-AD 细菌 - 小球藻共生系统对 PE-MP 的整体耐受性，我们首先检查了系统在不同 PE-MP 浓度下的污染物去除性能。结果表明（图 1），3 g·L-1 是系统从功能稳定过渡到不稳定的临界阈值。在 0.5–3 g·L-1 范围内，未观察到显著的功能崩溃，表明 HN-AD 细菌 - 小球藻共生系统保持了基本

结论
本研究描述了 HN-AD 细菌 - 小球藻共生系统在高氨和高 COD 浓度合成废水中长期、持续、累积暴露于 PE-MP 期间的反应模式。在低于 3 g·L-1 的浓度下，几项生理指标逐渐下降，然而，在接近或超过 3 g·L-1 的浓度下，污染物去除、酶活性、叶绿素 a 和 EPS 特性的恶化更加明显和协调。

未引用参考文献
（Chen 等，2022，Li 等，2020）

CRediT 作者贡献声明
傅巍：监督，软件，数据整理。聂碧祥：可视化，数据整理。邓林：撰写 - 初稿。张晨辉：监督，方法论。李小卓：资源，数据整理。华思语：项目管理，数据整理。陈铮：软件，数据整理。张倩：撰写 - 审阅与编辑，调查，资金获取。陈全利：数据整理。张宇阳：验证。

利益冲突声明
作者声明，他们没有任何已知的竞争性财务利益或个人关系可能影响本文报告的工作。

致谢
本工作得到了自然科学基金（CSTB2023NSCQ-MSX0412）、重庆市教育委员会科技研究计划（KJQN202401111）、重庆理工大学研究生教育高质量发展项目（gzlcx20243247）和重庆理工大学研究与创新团队培养计划（2023TDZ009）的支持。

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