《Algal Research》：Algal-bacterial biofilm in an anoxic/oxic moving bed biofilm reactor enhances nitrogen removal from high-ammonia wastewater
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将藻类-细菌生物膜集成到厌氧/好氧移动床生物膜反应器（AO-MBBR）中，实现了93.87%的氨氮和69.83%的总氮去除率。
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将藻类-细菌生物膜集成到厌氧/好氧移动床生物膜反应器（AO-MBBR）中，实现了93.87%的氨氮和69.83%的总氮去除率。
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光合作用产生的氧气提高了氨单加氧酶的活性，并在没有额外曝气的情况下维持了完全硝化过程。
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在光照条件下，亚硝酸盐还原酶的活性是黑暗条件下的12倍，使得脱氮过程实现了碳中和。
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红蓝光照选择性地富集了生物膜载体上的小球藻相关类群（41.17%）、Scenedesmus（18.64%）和蓝细菌（20.80%）。
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藻类的胞外polymer减少了氧化应激，并提高了生物膜的长期结构稳定性。
引言
来自农业、水产养殖和厌氧消化过程的活性氮正在加速全球淡水和沿海生态系统的富营养化[1]。高氨含量的废水（如猪废水、垃圾填埋场渗滤液和消化池上清液）通常超过200 mg TN L?1的浓度，这一浓度超过了任何传统活性污泥工艺的氧气供应和碳预算[2]。通过厌氧/好氧（A/O）配置进行生物脱氮仍然是主要的工程解决方案，但存在两个系统性的瓶颈：氧气限制会抑制好氧区的硝化菌活性，而碳缺乏则会饿死厌氧区的反硝化菌[3]。移动床生物膜反应器（MBBR）通过在悬浮载体上保持高密度的硝化菌部分解决了第一个问题，但碳限制仍然存在，并且生物膜本身没有被动解决这一问题的方法[4]。 藻类-细菌联合體已成为应对这一双重挑战的生物学方法。微藻通过光合作用产生的氧气速率可以与传统机械曝气相媲美甚至更高，同时它们的分泌物和裂解物为共存的反硝化菌提供了易于利用的有机碳，形成了一个循环利用系统，从而无需外部补充碳[5]。微藻还能将NH?+和NO??转化为生物量，为传统系统开辟了第三条去除途径[6]。在实验室规模的反应器中，悬浮共培养系统已经验证了这些协同作用，最近的研究开始将这一概念应用于膜生物反应器和颗粒系统[7],[8]。越来越多的证据表明，光照的波长和强度对于微藻的生产力及其相关细菌群落的结构起着决定性作用，红蓝LED光照在生物量积累和氮吸收方面始终优于白光[9],[10]。 尽管有了这些进展，但在AO-MBBR的空间分隔隔间内部署藻类-细菌生物膜仍然引入了一些悬浮培养研究无法解答的问题。首先，目前尚不清楚光合作用产生的氧气和藻类衍生的有机碳如何在厌氧区和好氧区之间的物理边界上实现耦合——在高氮负荷下，分泌物循环是否足以维持碳中和的脱氮过程[4],[11]。其次，将藻类活性与生物膜系统中的硝化和反硝化动力学联系起来的酶级证据仍然零散；大多数先前的研究仅报告了去除效率，而没有解决其背后的机制[12],[13]。第三，藻类-细菌生物膜在MBBR载体上的长期结构稳定性及其与胞外聚合物（EPS）组成和群落演替的关系，在实际操作时间尺度上尚未得到研究[12],[14]。填补这些空白对于将藻类-细菌的协同作用从实验室现象转化为可扩展的氮管理策略至关重要[6]。 在本研究中，我们构建了两个平行的AO-MBBR系统：一个使用红蓝LED光照以维持藻类生长，另一个置于黑暗环境中作为对照；两个系统在高氨负荷下连续运行了153天[10]。我们认为，光合作用产生的氧气和藻类碳循环可能作为相互促进的驱动因素：光照可以提高氨单加氧酶（AMO）的活性并维持完全硝化，而循环到厌氧区的藻类分泌物可以使得亚硝酸盐还原酶（NIR）的活性提高12倍，并选择性地富集反硝化菌Paracoccus和Fuscovulum——从而可能在无需外部补充的情况下实现碳中和的脱氮[4],[11]。红蓝光照同时引导真核生物群落向小球藻相关类群、Scenedesmus和蓝细菌方向发展，增强了氧气供应和碳通量[12],[15]。这些发现将藻类-细菌生物膜重新定义为闭环氮处理系统，并为高浓度废水的碳中和处理提供了机制蓝图[6],[14]。
章节摘录
反应器设计与操作
构建了两个相同的AO-MBBR系统，每个系统包括一个厌氧池（池A）和一个好氧池（池O），串联连接，总工作体积为17.3升。聚氨酯海绵立方体（2厘米×2厘米×2厘米；填充比为40%）用作两个隔室中的生物膜载体[12],[15]。实验系统（池A1和O1）使用红蓝LED灯带（比例为1:1，光照强度约为1000 lx，光照6小时/黑暗6小时）包裹在好氧池的外部；
氨去除
氨去除趋势（图2）显示，早期就出现了性能差异，并且随着时间的推移这种差异逐渐扩大，反映了持续光照下藻类-细菌协同作用的叠加优势[10],[11]。在第一阶段，两个系统的C/N比率相同，但去除的NH?+-N含量均低于5%，这与有机碳不足和溶解氧不稳定时硝化菌活性受到抑制的情况一致[2]。即便在这个阶段，
结论
传统的高氨废水生物脱氮受到氧气和碳双重缺乏的制约，目前还没有任何单一的干预措施能够持久解决这一问题。本研究表明，将光驱动的藻类-细菌生物膜集成到AO-MBBR中，可以通过四种机制相互关联的过程同时缓解这两个制约：光合作用产生的氧气、藻类对氮的吸收、内源性碳的循环利用以及氧化应激的减轻，这些过程共同作用
作者贡献声明
梁振：撰写 – 审稿与编辑，撰写初稿，监督管理。 马晓辉：资源协调。 姜文强：资源协调。 徐雷：项目管理。 刘双：监督管理。 郭先华：资金获得。 王淑敏：资金获得。
伦理批准
所有涉及生物材料的实验程序均按照相关机构关于微生物和环境样本的研究指南进行。
利益冲突声明
作者声明不存在可能影响本文研究的已知财务利益冲突或个人关系。
致谢
本工作得到了国家自然科学基金（项目编号：52370108）和西南大学高等教育教学改革项目（项目编号：5240201875）的支持。
梁振 | 马晓辉 | 姜文强 | 徐雷 | 刘双 | 郭先华 | 王淑敏
