《Bioresource Technology》：In situ fermentation-coupled symbiosis of polyphosphate-accumulating organisms and microalgae for efficient nutrient removal and sludge reduction in low carbon-to-nitrogen ratios wastewater
编辑推荐：
•将新型的F/P-SNDPR菌株与发酵型聚磷酸盐积累菌（PAOs）结合用于处理低碳氮比（C/N）废水•通过16小时黑暗/8小时光照的循环，实现了超过83%的氮去除率和超过95%的磷去除率，同时产泥量较低。•延长黑暗时间和光抑制作用促进了稳定的部分硝化过程。•调整光照/黑暗阶段长度
- •
将新型的F/P-SNDPR菌株与发酵型聚磷酸盐积累菌（PAOs）结合用于处理低碳氮比（C/N）废水
- •
通过16小时黑暗/8小时光照的循环，实现了超过83%的氮去除率和超过95%的磷去除率，同时产泥量较低。
- •
延长黑暗时间和光抑制作用促进了稳定的部分硝化过程。
- •
调整光照/黑暗阶段长度可以诱导微生物凋亡，从而增强发酵效果。
- •
利用Phosphoribacter产生的挥发性脂肪酸（VFA）来驱动常规的PAOs/glycogen-accumulating organisms（GAOs），以实现深度营养物去除。
引言
传统的生物营养物去除过程受到高能量消耗和温室气体排放的限制，这主要是由于机械曝气造成的（Stenstrom等人，2008年；Van Loosdrecht，2014年）。微藻-细菌联合体（MBC）通过共生的氧气/二氧化碳交换提供了一种可持续且无需曝气的替代方案（Chen等人，2026年）。然而，当处理低碳氮比（C/N）废水时，MBC的效能受到限制。在碳缺乏的条件下，反硝化作用不足迫使系统更多依赖微藻的同化作用（Abouhend等人，2018年）。但这种对同化作用的过度依赖无法维持高效的营养物去除，从而阻碍了MBC系统的广泛应用（Chen等人，2026年）。
将聚磷酸盐积累菌（PAOs）整合到MBC中形成了PAO-微藻联合体（PMC），显著提高了营养物去除效率（Carvalho等人，2018年；Carvalho等人，2024年；Mohamed等人，2021年；Tang等人，2024年）。光增强型生物磷去除（PEBPR）是一种典型的PMC系统（Abouhend等人，2018年）。在PEBPR系统中，PAOs在黑暗阶段吸收有机物并释放磷；在光照阶段，微藻利用细菌产生的二氧化碳（CO2）产生氧气，PAOs再利用这些氧气进行磷的吸收和聚磷酸盐（Poly-P）的合成（Tang等人，2024年）。尽管PEBPR在碳和磷的去除方面表现出较低能耗，但其氮去除效率仍然有限（Mohamed等人，2021年）。将硝化作用和反硝化作用结合到PEBPR中，形成了光同步硝化-反硝化及磷去除（P-SNDPR）系统，显著提升了营养物去除效率。然而，使用P-SNDPR处理实际的低C/N生活污水时会遇到两个关键难题：挥发性脂肪酸（VFA）不足限制反硝化过程，以及产泥量过多（>600 mg VSS/d），这是PMC系统的常见缺点。解决这些挑战对于PMC系统的实际应用至关重要。
将剩余污泥进行发酵并将其转化为内部碳源可以有效应对PMC系统相关的问题。现有的污泥发酵方法主要依赖于外部过程，如调节pH值或添加外部化学物质（如游离亚硝酸（FNA）或游离氨（FA）（Gao等人，2022年；Liu等人，2019年；Thomson等人，2025年；Zhang等人，2021年；Xing等人，2024年）。随后将发酵液引入PMC系统会增加工艺复杂性和运营成本（Zhang等人，2021年；Ji等人，2020年）。近期研究表明，光照会产生活性氧（ROS），这些活性氧会破坏细胞内蛋白质并释放可生物降解的底物，从而间接促进污泥发酵（Huang等人，2023年）。由于光照是PMC系统的固有组成部分，因此从外部添加转向内部发酵的方法是完全可行的。然而，将内部发酵与微藻-细菌群落结合以实现高效营养物去除的研究尚未充分开展。
由于PMC系统依赖于PAOs来驱动营养物代谢，在进行内部发酵时确保PAOs的代谢过程不受干扰至关重要。先前的研究已经证实，Candidatus Phosphatibacter（简称Phosphatibacter，之前被称为Tetrasphaera）这种发酵型PAOs能够水解和发酵残留污泥中的碳水化合物和蛋白质，产生VFA（Singleton等人，2022年）。同时，它们还能促进磷的去除并减少多余的污泥产生，从而有效地实现内部发酵（Marques等人，2017年；Thomson等人，2025年）。通过这一过程产生的VFA可以被PMC系统中的核心PAOsCandidatus Accumulibacter（简称Accumulibacter）消耗，为其提供氮和磷去除所需的底物（Fan等人，2022年；Thomson等人，2025年）。然而，在传统的PMC系统中，较短的黑暗阶段限制了Phosphatibacter的发酵潜力，因为像Accumulibacter这样的典型PAOs无法适应长时间的黑暗环境（Carvalho等人，2024年；Xing等人，2024年）。相反，通过内部发酵产生的有机酸可以作为代谢底物，有效缓解PAOs的饥饿状态（Thomson等人，2025年）。此外，光照-黑暗时间的比例会影响污泥分解和发酵效率（Huang等人，2023年；Thomson等人，2025年），需要与自然昼夜节律相匹配以确保经济效益。因此，选择合适的光照-黑暗周期对于设计基于Phosphatibacter的高效营养物去除系统至关重要；不过，该领域的研究仍然较少。
本研究通过将Phosphoribacter主导的发酵过程整合到PMC系统中，开发了一种原位发酵-耦合的P-SNDPR（F/P-SNDPR）系统，用于处理低碳氮比（C/N为3.4–3.8）的废水。研究了三种光照-黑暗循环（8小时黑暗/16小时光照、12小时黑暗/12小时光照和16小时黑暗/8小时光照）对系统性能的影响。量化了反硝化和同化作用对氮去除的贡献，并分析了功能性微生物群落和代谢基因的演替情况。此外，还通过生理活性和污泥产量评估了污泥减少和发酵效果，揭示了Phosphoribacter、典型PAOs和糖原积累菌（GAOs）之间的代谢相互作用。通过将宏观性能与微观机制联系起来，本研究为设计基于光照周期调控的低碳MBC系统以实现可持续废水处理提供了基础见解和实用指导。
章节片段
反应器启动和运行条件
一个有效体积为8升的序批反应器（SBR，记为R0）在光照-黑暗循环条件下运行：0.08小时的进料时间，3.5小时的黑暗时间，8小时的光照时间，0.33小时的沉淀时间，以及0.08小时的排放时间。R0的接种物来自P-SNDPR系统（Meng等人，2024b）。其中，接种物中的微藻群落以Chlorella为主，而细菌群落主要包括PAOs和GAOs等功能性菌株。
营养物去除性能
图1展示了R0-R3在120天运行期间的长期营养物去除性能及氮和磷去除途径的变化。图2展示了R1-R3在稳态条件下的典型运行周期。在R0中，接种物中丰富的PAOs使磷去除效率保持在96%以上，出水磷浓度低于0.3 mg/L（图1a）。作为补充碳源添加的酪蛋白未能有效
结论
本研究成功建立了一个用于处理低碳氮比废水的F/P-SNDPR系统。通过将光照周期优化为16小时黑暗/8小时光照，该系统表现出优异的整体性能，氮和磷的去除效率分别超过了83%和95%。同时，该系统将日产泥量降至312.21 mgVSS/d，并减少了净二氧化碳（CO2）排放。长时间的光照直接诱导了微生物的早期凋亡，而延长的黑暗
CRediT作者贡献声明
孟庆安：撰写——初稿；资金获取；概念构思。夏燕：方法学研究；实验设计。刘峰：验证；数据整理。 Yan Bipeng：验证；监督。杨继强：资源协调。史良良：数据分析。张淼：数据分析。吴军：撰写——审阅与编辑。
未引用的参考文献
Oyserman等人，2017年；Wang等人，2025年；Wang等人，2016年。
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的可能影响本文研究的财务利益或个人关系。
致谢
本研究得到了中国国家自然科学基金（项目编号：52500057）、海南省自然科学基金（项目编号：526YXQN0937）以及河北省重大科学技术支持计划项目（项目编号：252S3603D）的支持。
孟庆安|夏燕|刘峰|Yan Bipeng|杨继强|史良良|张淼|吴军
