《Water Research》：Spatiotemporal niche differentiation enables stable autotrophic nitrogen removal in a continuous-flow system coupling microalgae, ammonia oxidizers and anammox bacteria
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摘要自然水生团聚体利用昼夜溶解氧波动和微尺度氧化还原梯度来支持好氧和厌氧过程，为连续流微藻-细菌系统提供了生态蓝图；然而，这种耦合仍然困难，因为光合作用产生的氧气支持氨氧化，但会抑制对氧敏感的厌氧氨氧化细菌（AnAOB）。本研究开发了一种连续流光驱动微藻-细菌系统。通过长期反
摘要
自然水生团聚体利用昼夜溶解氧波动和微尺度氧化还原梯度来支持好氧和厌氧过程，为连续流微藻-细菌系统提供了生态蓝图；然而，这种耦合仍然困难，因为光合作用产生的氧气支持氨氧化，但会抑制对氧敏感的厌氧氨氧化细菌（AnAOB）。本研究开发了一种连续流光驱动微藻-细菌系统。通过长期反应器运行、途径贡献测试、胞外聚合物（EPS）表征、颗粒和FISH-CLSM分析以及宏基因组学，阐明了无外加有机碳的自养脱氮稳定机制。在530天的运行期间，8小时光照/16小时黑暗制度将溶解氧浓度维持在0.2-0.4 mg/L，在外部亚硝酸盐补充之前总氮去除率（TNRE）达到86.2%，并在亚硝酸盐辅助的最终阶段保持在约90%。途径贡献测试表明，估算的微藻相关同化贡献在光照期间为36.48%，而反硝化和厌氧氨氧化在黑暗条件下占主导地位，分别贡献了40.53%和39.67%。在反应器成熟期间，平均颗粒尺寸在第400天达到450 μm的峰值，蛋白质/多糖（PN/PS）比率从约3.0增加到5.0，紧密结合的EPS蛋白质（TB-EPS-PN）增加到约35 mg/g VSS，表明颗粒凝聚力和抗干扰能力增强。宏基因组分析显示，Candidatus Kuenenia富集至11.62%，关键氮转化基因协调增加。在反应器成熟期间，FISH-CLSM观察到的颗粒发育、EPS积累和藻-菌关联与结构组织增加有关，而应激和适应性相关基因的阶段依赖性变化支持了基因-EPS-结构适应框架。总之，这些发现支持了一个时空生态位分化框架，其中光/暗循环可能在时间上分隔氮途径，而EPS相关的颗粒发育和结构异质性可能增强扩散限制并提供有利于对氧敏感的厌氧功能的空间缓冲。
引言
水生微生物群落在动态和异质生境条件的塑造下形成。在高产水体中，溶解氧（DO）随昼夜周期波动，因为光合作用和呼吸作用交替进行，而生物膜、悬浮团聚体、沉积物和光合颗粒可以形成光、氧、底物和氧化还原电位的微尺度梯度。这些时间和空间梯度使好氧和厌氧微生物过程能够在紧密邻近的区域发生，为具有对比生理需求的功能群落的共存提供了生态基础（Fusi等，2023；Trebuch等，2023）。光合团聚体和产氧光合颗粒进一步表明，光合微生物可以与异养和营养转化细菌形成结构化联合体，为低能耗废水处理提供了自然模型（Billery等，2025）。这些系统表明，稳定产氧和对氧敏感的过程需要结合周期性氧气供应和受保护的厌氧微环境的生境条件。
这一生境原则直接关系到光驱动自养脱氮（Jungblut等，2016）。传统硝化-反硝化依赖于机械曝气和外加有机碳，导致高能耗和碳需求。微藻-细菌系统提供了一种低碳替代方案，因为微藻可以原位产生氧气，支持好氧氨氧化，与细菌交换代谢物，并有助于营养回收和碳固定（Li等，2023；Liu等，2024）。厌氧氨氧化提供了另一种自养脱氮途径，但其应用受到稳定亚硝酸盐供应需求和对氧敏感的厌氧氨氧化细菌（AnAOB）的限制（Wang等，2022；Shen等，2024）。因此，结合微藻、氨氧化细菌（AOB）和AnAOB具有吸引力，因为光合氧气可以支持AOB介导的亚硝酸盐生产，而残余氨氮和亚硝酸盐可以通过厌氧氨氧化进一步转化为N?。然而，这种耦合产生了基本的氧气矛盾，因为氧气是维持AOB活性所必需的，但过多的氧气暴露会抑制对氧敏感的AnAOB。
先前的研究主要展示了结合微藻、AOB和AnAOB系统的可行性，主要在批式、序批式、光序批或光合颗粒系统中（Manser等，2016；Yang等，2022）。这些配置受益于间歇性进料、循环运行和沉降选择，这促进了生物量保留和代谢过程的时间分离。相比之下，连续搅拌槽反应器（CSTR）施加了连续底物输入、持续水力混合、较高的生物量冲出风险和有限的好氧和厌氧阶段的外部分离。这使得CSTR成为一个严格的工程环境，用于测试受栖息地启发的生态位分化是否能从微生物联合体本身产生，而不是主要由反应器循环或沉降选择强加。尽管生物膜结构和活性已被证明可以调节无曝气微藻-细菌生物膜反应器中的氮代谢（Wu等，2023），但悬浮联合体微藻、AOB和AnAOB是否能在长期连续流生物系统中发展出稳定的时间和空间生态位，目前了解不足。
关键的知识空白在于，如氧气波动和微尺度结构组织这样的生境如何转化为光驱动微藻、氨氧化和厌氧氨氧化系统中的长期功能稳定性。先前的生态和工程研究提供了部分线索，表明波动的氧气条件可以调节水生微生物过程（Xu等，2022），而富含胞外聚合物（EPS）的团聚体或生物膜可以为微生物共存创造结构化微环境（Suarez等，2022；Xiong等，2023）。然而，这些发现大多作为分离的现象而不是相互关联的稳定化途径来报告。特别是，重复暴露于光合来源的氧气是否与应激和适应性相关基因谱、EPS积累和颗粒成熟的变化有关，以及这些变化是否有助于有利于AnAOB的低氧微环境，仍不清楚。
我们假设连续流光驱动微藻、氨氧化和厌氧氨氧化系统中的稳定自养脱氮是由受栖息地启发的时空生态位分化所支配的。在光/暗条件下，周期性的光驱动氧气波动可能在时间上分隔好氧和厌氧氮途径，支持光照期间藻类同化和AOB介导的亚硝酸盐生产，同时在低氧黑暗条件下促进反硝化和厌氧氨氧化。此外，微藻-细菌聚集和EPS介导的颗粒发育可能在空间上限制氧气传递并有利于AnAOB的厌氧功能区。在本研究中，在连续流生物系统中建立了一个光驱动微藻-细菌自养脱氮系统，并在530天内不添加外部有机碳的情况下运行。通过整合长期反应器性能、氮途径贡献分析、EPS和颗粒表征、显微镜检查、微生物群落分析和宏基因组功能基因分析，本研究探讨了光合氧气产生、功能适应和结构发育如何共同稳定连续流系统中的自养脱氮。
章节片段
合成废水与接种污泥
合成废水用于确保稳定的进水组成和可靠的运行条件控制。NH??-N和NO??-N分别由(NH?)?SO?和NaNO?提供，并根据NH??-N/碱度摩尔比为1.0添加NaHCO?。其他进水成分包括CaCl?·2H?O（140 mg/L）、KH?PO?（30 mg/L）、MgSO?·7H?O（140 mg/L）、微量元素溶液I（1 mg/L）和微量元素溶液II（1 mg/L）。微量元素的配方与...一致
系统启动策略与运行性能
图1展示了光驱动微藻-细菌自养脱氮系统的启动性能。系统建立涉及从微藻主导的氮同化到协调的微藻-细菌氮转化的清晰生态过渡。在第1-24天，当在12小时光照制度下只有微藻存在时，系统达到了30-40%的总氮去除率（TNRE），表明单独的藻类同化不足以...
结论
在没有外部有机碳的情况下，在连续流光驱动微藻-细菌系统中实现了稳定的自养脱氮。在8小时光照/16小时黑暗制度下，溶解氧浓度在整个长期运行期间维持在0.2至0.4 mg/L之间，并在外部亚硝酸盐补充之前实现了高总氮去除，TNRE达到86.2%，峰值为89.7%。在第四阶段，外部NO??-N补充进一步重新平衡了氮去除网络并...
CRediT作者贡献声明
邢宝山： 概念化、方法论、调查、撰写-初稿、撰写-审阅与编辑。 王子怡： 撰写-初稿、概念化、调查。 张正哲： 撰写-审阅与编辑。 傅玉霖： 调查。 崔永信： 调查。 王晓昌： 撰写-审阅与编辑。 陈嵘： 项目管理、监督。 李有有： 概念化、撰写-审阅与编辑、监督。
CRediT作者贡献声明
邢宝山： 撰写-审阅与编辑、撰写-初稿、方法论、调查、概念化。 王子怡： 撰写-初稿、调查、概念化。 张正哲： 撰写-审阅与编辑。 傅玉霖： 调查。 崔永信： 监督。 王晓昌： 撰写-审阅与编辑。 陈嵘： 监督、项目管理。 李有有： 撰写-审阅与编辑、监督、概念化。
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的竞争财务利益或个人关系，这些利益或关系可能影响本文报告的工作。
致谢
本研究得到中国国家杰出青年科学基金（编号：52325002）、国家自然科学基金（编号：52270049；52570176）和日本学术振兴会（编号：P24088）的资助。
邢宝山|王子怡|张正哲|傅玉霖|崔永信|王晓昌|陈嵘|李有有
国际城市替代水资源发展科技合作中心，西北水资源、环境与生态教育部重点实验室，陕西省污水处理与回用工程技术研究中心，陕西省环境工程重点实验室，西安建筑科技大学，西安市雁塔路13号，邮编710055，中国
