时文歆教授团队最新研究进展: 利用菌丝球裹藻凝结核强化菌-藻共生颗粒污泥的快速培养及其机制研究

第一作者 / 通讯作者：张冰

主要作者：时文歆、邬莲

通讯单位：重庆大学环境与生态学院

图片摘要

成果简介

近日， 重庆大学环境与生态学院 时文歆教授团队在环境领域著名学术期刊 Water Research 上发表了题为 “A novel strategy for rapid development of a self-sustaining symbiotic algal-bacterial granular sludge: Applying algal-mycelial pellets as nuclei” 的论文 。文中利用菌丝球絮凝（包裹）微藻形成菌丝球裹藻凝结核，创新性地提出将其作为晶核快速培养自维持菌藻共生好氧颗粒污泥的新策略，深入探究了菌丝球裹藻凝结核强化自维持菌藻共生好氧颗粒污泥系统快速构建的作用机理。采用该策略后，菌藻共生好氧颗粒污泥在 12 天内可实现完全颗粒化，且具有粒径大、颗粒结构致密、沉降性能好、生物活性高、污染物降解能力强等优势特征。本研究为强化非曝气条件下菌 - 藻共生颗粒污泥的快速培养和系统稳定性提供了一种经济可行的新方法。

引言

众多的研究结果表明，与好氧颗粒污泥（ Aerobic granular sludge ， AGS ）相比，菌 - 藻共生好氧颗粒污泥（ Algal-bacterial aerobic granular sludge, ABGS ）具有更加致密的颗粒结构，更好的沉降性能，更高效的除污染效能，以及良好的抗冲击负荷能力和结构稳定性。然而， ABGS 系统仍然存在启动时间长、能耗高、藻类生物量易流失以及长期运行易失稳等问题。研究发现，在 ABGS 形成的初始阶段，藻细胞相互结合形成的微小团聚体可作为微生物粘附的核心，这种独特的结构有利于维持 ABGS 结构的稳定性，因此，利用藻类初始凝结核可能为加速污泥颗粒化过程提供一种新思路。然而，藻细胞尺寸小、沉降性能差、生长速度慢、静电斥力强等特性，使其难以通过自聚集形成初始核心。因此，如何实现藻细胞快速絮凝成核是一个关键问题。

本研究拟基于 ABGS 的自然形成规律实施人工强化，利用丝状菌絮凝（包裹）微藻，创新性地提出利用菌丝球裹藻凝结核定向诱导 ABGS 形成的新方法，深入探究菌丝球裹藻凝结核强化 ABGS 系统快速构建的作用机理，主要研究内容包括：（ 1 ）对 mycelial pellets （ MPs ） 、 algal-mycelial pellets （ AMPs ） 形成的关键参数进行优化，（ 2 ）探究 ABGS 的颗粒化过程和系统内物质转化机制，（ 3 ）考察 ABGS 的微观形态特征、胞外聚合物组成和群落结构的动态变化，（ 4 ）基于扩展的 Derjaguin-Landau-Verwey-Overbeek （ XDLVO ）理论分析颗粒污泥中细胞表面相互作用能和污泥聚集能力，以及（ 5 ）阐释菌丝球裹藻凝结核强化 ABGS 快速形成的作用机制。研究成果为 ABGS 的定向诱导、快速形成和结构稳定性调控提供新的方法和思路，为 ABGS 技术的工程应用提供有力的理论指导和技术支撑。

图文导读

菌丝球裹藻凝结核的最佳合成条件

图 1 ： MPs 的生长曲线（ a ）；接种孢子密度（ b ）、 pH （ b ）、转速（ d ）、温度（ e ）对 MPs 形成的影响；采用共培养法（ f ）和吸附法（ g ）时吸光度随时间的变化； MPs 培养时间（ h ）、藻细胞投加量（ i ）和 MPs 投加量（ j ）对 AMPs 形成的影响； MPs （ k ）和 AMPs （ l ）的微观形貌观察。

在最初 72 h 内 MPs 的生物量急剧增加，随后进入稳定期（图 1a ）。图 1b-e 表明， MPs 的最佳培养条件为：孢子浓度为 6.3×10 ⁶ CFU/mL 、 pH 为 6.0 、转速为 150 rpm 、温度为 30 ℃ 。对制备 AMPs 的方法进行了比较分析（图 1f ， g ， l ），得出吸附法为 AMPs 的最佳制备方法。通过考察 MPs 培养时间、 MPs 投加量和藻细胞投加量对絮凝效果的影响，进一步优化了 AMPs 的制备条件。当投加培养时长为 3 d 的 MPs 、藻液投加量为 50 mL 、 MPs 投加量为 12 g （湿重）时，藻细胞的絮凝效率达到最大值（ ~99.0% ）（图 1h-j ）。

在最优条件下制备的 MPs 其核心结构紧凑、边缘松散、尺寸均匀（图 1k ）。 MPs 与 AMPs 除了颜色不同，形态上无明显差异（图 1l ）。 SEM 和 TEM 图像显示（图 1l ），小球藻紧密附着在菌丝上，主要分布在 AMPs 的外层。此外，长而致密的菌丝在 AMPs 内相互缠绕，使得 AMPs 表面形成了一定的通道和孔隙，这种多孔结构有利于氧气和营养物质传质。

菌丝球裹藻凝结核强化作用下污泥的颗粒化过程

图 2 ： R1-R3 中的 ML(V)SS （ a-c ）， SVI ₃₀ 和 SVI ₃₀ /SVI ₅ （ d ）， ABGS 平均粒径（ e ），叶绿素 α 浓度（ f ）的变化情况。 R1 ：对照组； R2 ：投加 MPs ； R3 ：投加 AMPs 。

活性污泥接种后， R1-R3 中初始 MLSS 浓度约为 3.6 g/L ， R2 和 R3 中分别投加 0.1 g/L （干重）的 MPs 和 AMPs （ MPs/AMPs 与 AS 的干重比为 2.5% ）。由图 2 可知，第 12 天时 R3 中污泥的平均粒径已超过 300 μm ， SVI ₃₀ /SVI ₅ 比值达到 0.87 ，可知 ABGS 在 12 天内实现了完全颗粒化。此时， ABGS 的粒径为 3.3 mm ， MLSS 浓度为 2.2 g/L ，叶绿素 α 含量为 3.8 mg/L ， SVI ₃₀ 值为 53.2 mL/g ，与 R1 和 R2 中形成的 ABGS 相比之下， R3 中的污泥性质更优。显微结构观察显示投加的 AMPs 主要位于 ABGS 的核心区域，证实了强化方法的有效性。上述研究结果表明， AMPs 的投加有效地促进了自维持 ABGS 的形成，且细菌和藻类之间良好的共生关系有助于维持颗粒结构的稳定性。

污染物去除效能和质量平衡分析

图 3 ： R1-R3 中 COD 去除效率（ a ）、 NO ₂ ^- -N 和 NO ₃ ^- -N 出水浓度（ b ）、 TN 去除效率（ c ）、 PO ₄ ^3- -P 去除效率（ d ）的变化情况。 R1 ：对照组； R2 ：投加 MPs ； R3 ：投加 AMPs 。

R3 系统中 COD 的平均去除率（ 98.6% ）高于 R1 （ 96.4% ）和 R2 （ 98.1% ）（图 3a ），而三者之间 NH ₄ ⁺ -N 去除效率差别不大（接近 100% ），不存在明显的 NO ₂ ^- -N 积累现象，表明 ABGS 体系具有良好的硝化性能。随着运行时间的延长， R1-R3 系统中出水 NO ₃ ^- -N 浓度有明显的下降趋势，相应地， TN 去除效率得到提高（图 3b 和 c ）。第 35 天时 R3 系统出水中 NO ₃ ^- -N 浓度（ 11.5 mg/L ）低于 R1 （ 19.5 mg/L ）和 R2 （ 12.5 mg/L ）（图 3b ）。这可能是由于 R3 系统中颗粒粒径较大，颗粒内部的厌氧 / 缺氧区域为反硝化细菌的生长创造了有利的条件。由图 3d 可知， R3 系统对 PO ₄ ^3- -P 的平均去除效率超过 80.0% ，表现出较好的 PO ₄ ^3- -P 去除效果。由图 4 可见，污水中的 C 、 N 、 P 主要通过细菌代谢去除， R3 系统中微藻对 C 、 N 、 P 的去除贡献率分别为 34.6% 、 17.0% 、 10.0% ，明显高于 R1 和 R2 。 R3 系统中投加的 AMPs 絮凝了较多的藻细胞（絮凝效率达到 99% ），而藻类（特别是绿藻）能够吸收氮、磷等营养物质作为能量来源合成细胞物质，这可能是该系统除污染效能较高的重要原因。

图 4 ： R1-R3 反应器中 ABGS 的 C 、 N 、 P 质量流。 R1 ：对照组； R2 ：投加 MPs ； R3 ：投加 AMPs 。

基于 XDLVO 理论的表面热力学分析

图 5 ： 接种污泥（ a ）和 R1-R3 系统中污泥的 XDLVO 位能曲线（ b-d ）。 R1 ：对照组； R2 ：投加 MPs ； R3 ：投加 AMPs 。

在 XDLVO 理论总位能曲线上大都存在一个最高点，称为斥力势垒，只有当微生物粒子具有能够翻越过这个势垒的动能，才能发生絮凝沉降，所以斥力势垒的高低往往决定着体系的稳定性大小 。势垒越高，说明体系越稳定，絮凝沉降性能越差；反之，势垒越低，微生物只需要较低的动能就可以翻越势垒，容易发生沉降。在本研究中，通过比较各个系统中污泥的总势能曲线，发现 R1 和 R2 系统 中的污泥其能垒分别为 138.98 kT 和 109.64 kT ，显著高于 R3 系统 中的能垒（ 89.93 kT ），表明投加菌丝球裹藻凝结核强化形成的 ABGS 具有最低的能量势垒和较强的微生物聚集能力。

细菌、藻类和真菌的群落结构分析

图 6 ： 接种污泥和 R1-R3 系统中形成的 ABGS 在门水平（ a ）和属水平（ b ）上微生物种群的相对丰度， ABGS 中的藻类在属水平的相对丰度（ c ）和真菌在属水平上的相对丰度（ d ），属分类水平上的热图（ e ），相对丰度位于前 20 个的菌属与 EPS 含量和 N 、 P 去除效率之间的聚类分析（ f ）。 R1 ：对照组； R2 ：投加 MPs ； R3 ：投加 AMPs 。

随着颗粒化过程的进行，三个光生物反应器中放线菌门（ Actinobacteriota ）的相对丰度急剧下降至 0.21% 以下（图 6a ），变形菌门（ Proteobacteria ）的相对丰度显著提高，尤其是 R3 中该菌门的相对丰度增加至 62.68% ，是接种污泥的 3.7 倍。在属水平上，所有 ABGS 样品中的优势菌属与接种污泥的优势菌属具有明显的差异性（图 6e ）。具体地说， R1 、 R2 和 R3 系统中属于变形菌门的 Neomegalonema 其相对丰度分别增加至 43.82% 、 20.71% 和 46.11% （图 6b ）。本研究进一步将相对丰度位于前 20 的微生物种属与 EPS 含量和 TN 、 PO ₄ ^3- -P 去除效率之间进行了相关性分析，发现 TN 、 PO ₄ ^3- -P 去除效率和 EPS 含量与 Neomegalonema 呈正相关关系（图 6f ）。已有研究显示， Neomegalonema 不仅是一种聚磷菌，且能够吸收有机物质和含氮物质，同时也是一种重要的胞外聚合物产生菌，与本研究的结果相一致。

在藻类的属分类水平上， R3 系统中 Chlorella_f_Cholrellaceae 的相对丰度（ 23.25% ）高于 R1 （ 18.52% ） 和 R2 （ 11.68% ），表明 MPs 絮凝的小球藻在 R3 系统中得到了有效富集（图 6c ）。小球藻在生长过程中能够将废水中的 N 和 P 同化为磷脂、核酸和核苷酸等细胞成分，从而有利于废水中营养物质的去除。图 6d 显示了 ABGS 中真菌在属水平上的分布情况。由图可知， R1 、 R2 和 R3 系统中优势真菌分别是弯颈霉属（ Tolypocladium ）、链枝菌属（ Catenaria ）和黑曲霉菌属（ Aspergillus ）。 R3 中 Aspergillus 在的相对丰度为 38.76% ，明显高于 R1 （ 0.96% ）和 R2 （ 3.76% ）中的相对丰度。以上研究结果显示， AMPs 中的 Aspergillus 在光生物反应器中具有较好的适应性，可维持较好的生物活性。

小结

本研究基于菌 - 藻共生好氧颗粒污泥（ ABGS ）的自然形成规律，提出了一种利用菌丝球裹藻凝结核强化无曝气条件下自维持菌 - 藻共生好氧颗粒污泥快速形成的新方法。结果表明， ABGS 可在 12 天内实现完全颗粒化，且具有粒径大、结构紧凑、沉降性能好、生物活性高、去除污染物效果优异等特点。微观观察显示，定向投加的藻类（ Chlorella ）和真菌（ Aspergillus ）作为颗粒污泥的核心。此外，本研究从胞外聚合物组成成分、群落结构组成（真菌、细菌和藻类）以及微生物聚集能力等角度，系统解析了菌丝球裹藻凝结核强化污泥快速颗粒化的作用机制。

本项目获得了国家自然科学基金委和中国博士后科学基金委的项目资助。

     

主要作者介绍

时文歆 : 重庆大学环境与生态学院教授，博士生导师，水科学与工程系主任。兼任教育部高等学校给排水工程学科教学指导委员会秘书长，中国城镇供水排水协会工程教育专业委员会秘书长，中国环境科学学会水处理与回用专业委员会第一届、第二届常务委员会委员，中国土木工程学会水工业分会第六届理事会理事，重庆市普通本科高等学校土建水利类专业教学指导委员会委员。国际期刊《 Reviews inEnvironmental Science and Biotechnology 》编委，《给水排水》期刊编委。主要研究方向包括污水处理及其资源化利用、饮用水安全保障技术等，围绕好氧颗粒污泥和菌 - 藻共生好氧颗粒污泥，目前已获得多项创新性成果，已在 Water Research , Applied Catalysis B: Environment , Journal of Membrane Science 、 Chemical Engineering Journal 等行业主流国际知名期刊发表论文 100 余篇，其中入选 ESI 高被引论文 6 篇；参编国家《室外给水设计标准》（ GB 50013-2018 ）。主持承担国家重点研发课题、国家水专项课题、国家自然科学基金课题等 20 余项；获省部级科技奖励 9 项；获 2019 年 “ 中国水业人物 ” 教学与科研贡献奖。已培养博士研究生 18 人，硕士研究生 50 余人。

张冰 : 重庆大学助理研究员，硕士生导师。主要从事好氧颗粒污泥污水处理技术及膜法水处理技术研究，在好氧颗粒污泥的形成机理、菌 - 藻共生好氧颗粒污泥的快速培养以及膜生物反应器等研究领域取得了创新性成果。以第一作者和通讯作者在 Water Reseach , Chemical Engineering Journal , Renewable & Sustainable Energy Reviews , Bioresource Technology , Journal of Membrane Science 等行业主流期刊上发表论文 20 余篇， 其中入选 ESI 高被引论文 2 篇。 主持承担国家自然科学基金青年科学基金项目、中国博士后科学基金面上项目、中国博士后科学基金特别资助项目（站中）、重庆市博士后科学基金特别资助项目（特等资助）各 1 项。 担任《净水技术》期刊青年编委，城市水资源开发利用（南方）国家工程研究中心专家库专家 。

邬莲: 硕士研究生，现就读于重庆大学环境与生态学院。

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https://doi.org/10.1016/j.watres.2022.118210

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