微藻-细菌颗粒污泥中生态关联架构与生物质分子组织的结构对应关系

《Journal of Environmental Chemical Engineering》：Structural correspondence between ecological association architecture and biomass molecular organization in microalgal-bacterial granular sludge

　　微藻-细菌颗粒污泥（MBGS）系统依赖于微藻和细菌之间结构化的生态关联来维持处理性能和颗粒稳定性。尽管这些关联在社区水平上已被广泛表征，但在MBGS内形成的多种生物量组分是否展现出与该生态架构相对应的协调分子组织仍不清楚。在本研究中，我们在其生态关联模式的背景下，系统地检查了MBGS中主要生物量组分的组成和分子组织。域内和域间关联分析以及微生物-代谢物连接网络揭示了一个结构化的生态架构，其特征是细菌和微藻类群紧密相连以及具有独特的代谢物关联。在分子水平上，超高分辨率质谱和荧光光谱解析了胞外聚合物（EPS）的组成和转化特征，展示了一个具有特征官能团分布的高度互连分子网络。与此同时，脂质衍生的脂肪酸甲酯（FAMEs）表现出特定的组成特征，这与共生体中微藻类群的占主导地位相符，而藻酸盐类胞外聚合物（ALE）则显示出独特的嵌段分布和理化特性。尽管这些生物量组分的生化来源不同，但其分子组织模式与系统内识别的结构化生态关联大体一致。通过将生态关联架构与跨胞外和胞内生物量组分的分子尺度表征相结合，本研究为MBGS中的生物量组织提供了一种跨尺度视角。这些发现推进了我们对结构化微藻-细菌共生体如何反映在协调的生物量分子特征中的理解，并对理解颗粒稳定性和生物量资源潜力具有重要意义。MBGS系统已成为一种有前途的可持续废水处理策略，因为其颗粒结构内微藻和细菌之间紧密耦合的生态关联。这些关联可能包括多种生态关系，如互利共生、寄生和对抗[1]。在合作场景中，微藻的光合作用提供氧气以维持细菌的有氧代谢，而细菌促进氮和磷的矿化，从而增强微藻吸收和同化所需的营养可利用性[2]。通过这些耦合的同化和异化过程，MBGS实现了有机物和营养物质的高效去除[3]。然而，这些生态关系可以随着环境或操作条件的变化而在合作、竞争和对抗状态之间转换。这些转变可能包括产生杀藻或抗菌化合物，并最终影响颗粒稳定性和功能性能[4]。这些研究共同表明，MBGS作为一个结构化的生态共生体发挥作用，其中微生物关联模式与系统性能密切相关[1], [2], [3], [4]。这种结构化共生体的维持不仅需要代谢互补性，还需要颗粒内稳定的物理和生化界面。EPS构成了嵌入微生物细胞的主要基质，促进聚集，稳定颗粒结构，并调节微藻和细菌伙伴之间的质量传递和代谢物交换[5], [6]。作为一种界面介质，EPS支持共生体内的空间组织和近距离依赖的相互作用。因此，EPS已被认为是微藻-细菌系统中结构组织和功能整合的关键决定因素[7]。除了其结构作用外，EPS代表了大量的生物量资源储备，主要由多糖、蛋白质、脂质和核酸组成[8]。由于其多样的官能团、异质组成和环境相容性，EPS在生物修复、医学、农业和材料科学中的应用引起了关注[9]。除了以EPS为主的胞外基质外，MBGS还包含在同一微环境中形成的其他生物量组分。微藻和细菌之间的紧密代谢耦合可以促进胞内脂质积累和特化胞外聚合物的合成[7], [10]。脂质衍生的FAMEs反映了微生物的脂肪酸代谢，并因其在生物基资源方面的潜力而在藻类-细菌系统中得到广泛研究。同时，ALE代表具有结构和高值化相关性的凝胶形成胞外多糖组分[11], [12]。尽管EPS、FAMEs和ALE在生化来源和理化性质上存在差异，但它们共存于同一颗粒微环境中，并在相同的生态关联架构下发育[7]。因此，了解这些生物量组分在分子水平上的组织方式对于解释MBGS中的结构稳定性和资源潜力至关重要。尽管对MBGS的研究兴趣不断增加，现有研究主要在不同维度上分别考察其生态和生物量特征。社区水平的调查主要集中在微生物组成、生态关联和处理相关功能上，而生物量导向的研究通常独立表征各个组分。例如，EPS在生化组成和结构作用方面已被广泛研究[6], [8]，而脂质衍生组分和ALE通常被分别考察其组成特征、功能特性或资源潜力[11], [12]。因此，尽管这些研究为生态组织或特定生物量特性提供了重要见解，但微生物关联架构与多种生物量组分分子组织之间的跨尺度整合仍然有限。特别是，在同一颗粒微环境中形成的胞外和胞内生物量组分是否表现出与微藻-细菌共生体结构化关联相对应的协调组织特征仍不清楚。缺乏整合的生态-分子视角代表了了解社区水平组织如何反映在MBGS中多种生物量组分中的一个关键知识空白。因此，本研究的目标是确定MBGS中主要生物量组分的分子组织是否与其生态关联架构表现出跨尺度对应关系。在这里，“生态关联架构”指的是通过统计学推断的域内细菌和微藻关联、跨域微藻-细菌关联以及它们与生物量相关代谢物连接的组织。首先表征域内和域间关联模式以及微生物-代谢物连接，以建立成熟共生体的生态组织。然后解析EPS的分子组成和转化特征，接着针对FAMEs和ALE作为代表性的脂质和胞外多糖组分进行表征。本研究的创新之处在于在同一成熟MBGS共生体内整合这些生态和分子维度，而不是独立地考察它们。这种整合方法的显著意义在于，它为理解社区水平组织如何反映在生物量分子特征中提供了跨尺度基础，对解释颗粒稳定性和生物量资源潜力具有重要意义。MBGS反应器配置与运行MBGS在实验室规模的序批式反应器（SBR）中培养，工作体积为2升。反应器在4小时周期下运行，体积交换率为50%，导致水力停留时间（HRT）为8小时。每个操作周期包括3分钟的进水投加、100转/分的厌氧混合57分钟、曝气176分钟、沉淀2分钟和出水2分钟。曝气通过安装在反应器底部的盘式扩散器提供，空气流速为...MBGS中细菌和微藻群落的分类组成MBGS中细菌群落的分类组成如图1a所示。在门水平上，细菌群集主要由假单胞菌门、酸杆菌门、绿弯菌门、拟杆菌门和蓝细菌门主导。其中，假单胞菌门是最丰富的门，这与其在颗粒污泥系统中频繁占主导地位是一致的。其余的门共同贡献了细菌群落的系统发育多样性。在属水平上，...结论本研究将生态关联分析与成熟MBGS中EPS、FAMEs和ALE的分子表征相结合。结构化的域内和域间关联以及微生物-代谢物连接确立了共生体的生态背景。EPS主要由CHO和CHON化学式主导（占总信号强度的52.31%和43.92%），木质素样和不饱和烃样化合物分别占42.73%和29.94%。FAME池的特征是...作者贡献声明Chengyi Luo：写作 - 审阅与编辑，写作 - 原稿，软件，方法学，调查研究，形式分析。Yibo Zhang：写作 - 审阅与编辑，软件，方法学。Long Cheng：写作 - 审阅与编辑，方法学。Qixing Hu：写作 - 审阅与编辑，软件。Jinyu Jiao：写作 - 审阅与编辑，形式分析。Zhiquan Hu：写作 - 审阅与编辑，监督，资源，项目管理，资金获取，概念化。写作过程中生成式AI和AI辅助技术的使用声明在准备本工作期间，作者使用ChatGPT 5.2以提高可读性。使用此工具后，作者根据需要审阅和编辑了内容，并对出版物的内容承担全部责任。利益冲突声明作者声明，他们没有已知的竞争性经济利益或个人关系，这些可能会影响本文报告的工作。致谢本研究得到国家自然科学基金委员会（编号22378154）和国家重点研发计划（编号2019YFA0905504）的资助。我们感谢所有匿名审稿人对改进论文质量提出的有益建议。我们还想感谢华中科技大学环境科学与工程学院的环境研究设施公共服务平台。Chengyi Luo|Yibo Zhang|Long Cheng|Qixing Hu|Jinyu Jiao|Zhiquan Hu华中科技大学绿色能源产业研究中心，中国武汉，430074