好氧颗粒污泥对三种不同捕食者的响应：性能、结构稳定性及防御相关功能潜力

《Journal of Environmental Chemical Engineering》：Performance, structural stability, and defense-related functional potential of aerobic granular sludge in response to three distinct predators

　　

摘要

微生物捕食是一种重要但常被忽视的生态力量，影响好氧颗粒污泥（AGS）的稳定性。本研究调查了三种不同捕食者，即捕食性变形菌（Bdellovibrio bacteriovorus）、尾草履虫（Paramecium caudatum）和轮轮虫（Rotaria rotatoria），连续捕食对成熟 AGS 的影响。与控制反应器（94.36 ± 2.32%）相比，COD 去除效率在P. caudatum（92.39 ± 2.88%）和R. rotatoria（94.65 ± 2.01%）捕食下保持相对稳定，但在B. bacteriovorus捕食下下降（85.52 ± 1.42%）。所有三种捕食者都在不同程度上降低了 AGS 生物膜厚度，最大相对降低幅度达到 35.63 ± 2.86%。相反，它们增强了 AGS 的机械稳定性，表现为更高的储能模量和屈服应变，以及更大的抗剪切能力。储能模量从 627.46 Pa 增加到 728.93–1205.10 Pa，而颗粒粒度分布曲线下的积分面积变化率（ΔS）从 0.73 降低到 0.12–0.44。不同的捕食者表现出不同的捕食偏好，导致优势细菌属发生明显变化。宏基因组图谱表明，在B. bacteriovorus暴露下 COD 去除效率降低与乙酰辅酶 A 生成和下游碳代谢中间产物补充的功能潜力降低有关。防御相关基因图谱表明，在三种捕食者暴露下存在四种与捕食者抗性相关的共同功能潜力，以及与防御相关的捕食者特异性功能潜力。这些发现加深了我们对 AGS 暴露于三种捕食者后应激反应的理解，并为 AGS 过程的稳定运行和风险控制提供了指导。

引言

好氧颗粒污泥（AGS）技术被认为是最有前途的废水处理技术之一，具有多种优势，包括较小的空间和能源足迹以及成本效益 [1]。从生态角度来看，AGS 可以被视为一种通过微生物聚集形成的结构化微生物生态系统。其形成和稳定性受自下而上和自上而下效应的共同调节 [2]。具体来说，自下而上的概念是指资源可用性施加的约束，即资源塑造微生物群落结构。相反，自上而下的概念是指捕食者介导的调节，上层捕食者塑造下层微生物的群落特征 [3]。广泛的研究阐明了水质（如 pH 值、营养底物）和工艺条件（如温度、曝气强度、运行模式）如何影响 AGS 的形成和稳定性 [4]。同时，研究证实微生物捕食可以影响 AGS 的微生物群落组成和颗粒化过程 [5]，突显了捕食对 AGS 稳定性的潜在重要性。然而，捕食者介导的自上而下调节如何影响 AGS 的结构和功能仍然了解不足。

原生动物、后生动物和捕食性细菌被广泛认为是活性污泥系统中的重要捕食者 [6,7]。其中，草履虫是具有代表性的原生动物模型捕食者，因为它们分布广泛、密度高且易于培养 [8]。草履虫是悬浮摄食纤毛虫，利用纤毛水流将悬浮细菌和其他小微生物颗粒运输到口沟进行吞噬摄食 [9]。相比之下，轮虫是好氧废水处理系统中常见的后生动物捕食者。一些多室轮虫，如轮虫属，是表面摄食后生动物，直接捕食与生物膜或污泥聚集体相关的微生物和颗粒物，从而影响聚集合结构和出水质量 [10,11]。如捕食性杆菌和类似生物体（称为 BALOs）的捕食性细菌在废水处理系统中被越来越频繁地检测到 [12]。BALOs 是革兰氏阴性菌的专性捕食者，并通过入侵和裂解宿主细胞获取生长和繁殖的营养物质 [13]。这三种微型捕食者在体型、猎物特异性和捕食策略上存在显著差异 [14]，这些差异可能导致对 AGS 结构和功能产生不同的自上而下的生态选择压力。因此，本研究分别选择 BALOs、草履虫和轮虫作为代表性细菌、原生动物和后生动物捕食者，以比较评估具有不同捕食特征的捕食者如何影响成熟 AGS 的结构和功能。

针对微生物捕食，微生物已发展出多种潜在与捕食者抗性相关的特征，包括形态、运动能力、生物膜形成和有毒代谢物产生的变化 [15]。值得注意的是，基因型改变也可能有助于微生物适应持续的捕食暴露 [16]。宏基因组学是一种基于分子生物学的方法，直接从环境样本中获得大量基因序列，从而为不同环境条件下群落结构和群落水平功能潜力的变化提供见解 [17]。因此，宏基因组分析提供了表征微生物群落变化以及在不同捕食者暴露下与捕食者抗性相关的功能潜力的机会。

在本研究中，三种代表性捕食者，即Bdellovibrio bacteriovorus、Paramecium caudatum和Rotaria rotatoria，被分别引入含有成熟 AGS 的平行反应器中。通过系统比较捕食者暴露下污染物去除性能、三维结构特征、流变性能、剪切稳定性、微生物群落组成和功能基因图谱的变化，本研究旨在阐明成熟 AGS 对不同捕食者的差异响应，并表征防御相关功能潜力。研究结果有望为成熟 AGS 对捕食者介导的自上而下调节的响应提供新见解，并为更好地理解 AGS 的稳定性性能做出贡献。

章节摘要

实验设置与运行

为了调查不同捕食者对 AGS 的影响，四个实验室规模的序批式反应器（SBRs），标记为 R1-R4，被平行运行（图 S1）。所有反应器均由有机玻璃制成，工作体积为 2.3 L，高度为 600 mm，内径为 80 mm。成熟 AGS 取自稳定运行超过 3 个月的实验室规模 AGS 反应器 [18]。颗粒的平均直径为 1 mm，沉降速度为 18.96 ± 1.91 cm/s。

捕食下 AGS 的性能

实验设计总结于图 1a。在 29 天的暴露期间，三种捕食者对 AGS 的污染物去除性能表现出不同的影响（图 1b-d）。在相同的进水 COD 浓度下，R1 中的平均 COD 去除效率约为 94.36 ± 2.32%，而 R2、R3 和 R4 中的分别为 85.52 ± 1.42%、92.39 ± 2.88% 和 94.65 ± 2.01%。相应的 SOUR 值分别为 16.38 ± 1.08、15.00 ± 0.92、16.08 ± 0.98 和

结论

本研究表明，在P. caudatum和R. rotatoria捕食下，AGS 的 COD 去除效率保持相对稳定，而B. bacteriovorus捕食损害了 COD 去除性能。乙酰辅酶 A 形成和下游碳代谢中间产物补充的功能潜力降低可能促成了碳代谢能力的下降。此外，在...中观察到 NH₄⁺-N 和 PO₄^3--P 去除性能仅有微小差异

CRediT 作者贡献声明

Yueping Wang: 写作 – 初稿，调查，形式分析，数据整理。 Panxin Wang: 方法论。 Xiang Liu: 写作 – 审阅与编辑，监督，方法论，构思。 Can Xu: 调查。 Chunli Wan: 写作 – 审阅与编辑，方法论，资金获取，构思。 Changyong Wu: 资源，方法论。

利益冲突声明

作者声明，他们没有已知的竞争经济利益或个人关系，可能会影响本文报告的工作。

致谢

这项工作得到了国家自然科学基金（编号 32270112）的支持。

Yueping Wang|Panxin Wang|Xiang Liu|Can Xu|Chunli Wan|Changyong Wu

复旦大学环境科学与工程系，上海，200438，中国