成果簡介
近日，重慶大學環(huán)境與生態(tài)學院時文歆教授團隊在環(huán)境領(lǐng)域著名學術(shù)期刊WaterResearch上發(fā)表了題為“Anovelstrategyforrapiddevelopmentofaself-sustainingsymbioticalgal-bacterialgranularsludge:Applyingalgal-mycelialpelletsasnuclei”的論文。文中利用菌絲球絮凝（包裹）微藻形成菌絲球裹藻凝結(jié)核，創(chuàng)新性地提出將其作為晶核快速培養(yǎng)自維持菌藻共生好氧顆粒污泥的新策略，深入探究了菌絲球裹藻凝結(jié)核強化自維持菌藻共生好氧顆粒污泥系統(tǒng)快速構(gòu)建的作用機理。采用該策略后，菌藻共生好氧顆粒污泥在12天內(nèi)可實現(xiàn)完全顆粒化，且具有粒徑大、顆粒結(jié)構(gòu)致密、沉降性能好、生物活性高、污染物降解能力強等優(yōu)勢特征。本研究為強化非曝氣條件下菌-藻共生顆粒污泥的快速培養(yǎng)和系統(tǒng)穩(wěn)定性提供了一種經(jīng)濟可行的新方法。
引言
眾多的研究結(jié)果表明，與好氧顆粒污泥（Aerobicgranularsludge，AGS）相比，菌-藻共生好氧顆粒污泥（Algal-bacterialaerobicgranularsludge,ABGS）具有更加致密的顆粒結(jié)構(gòu)，更好的沉降性能，更高效的除污染效能，以及良好的抗沖擊負荷能力和結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。然而，ABGS系統(tǒng)仍然存在啟動時間長、能耗高、藻類生物量易流失以及長期運行易失穩(wěn)等問題。研究發(fā)現(xiàn)，在ABGS形成的初始階段，藻細胞相互結(jié)合形成的微小團聚體可作為微生物粘附的核心，這種獨特的結(jié)構(gòu)有利于維持ABGS結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，因此，利用藻類初始凝結(jié)核可能為加速污泥顆粒化過程提供一種新思路。然而，藻細胞尺寸小、沉降性能差、生長速度慢、靜電斥力強等特性，使其難以通過自聚集形成初始核心。因此，如何實現(xiàn)藻細胞快速絮凝成核是一個關(guān)鍵問題。
本研究擬基于ABGS的自然形成規(guī)律實施人工強化，利用絲狀菌絮凝（包裹）微藻，創(chuàng)新性地提出利用菌絲球裹藻凝結(jié)核定向誘導ABGS形成的新方法，深入探究菌絲球裹藻凝結(jié)核強化ABGS系統(tǒng)快速構(gòu)建的作用機理，主要研究內(nèi)容包括：（1）對mycelialpellets（MPs）、algal-mycelialpellets（AMPs）形成的關(guān)鍵參數(shù)進行優(yōu)化，（2）探究ABGS的顆粒化過程和系統(tǒng)內(nèi)物質(zhì)轉(zhuǎn)化機制，（3）考察ABGS的微觀形態(tài)特征、胞外聚合物組成和群落結(jié)構(gòu)的動態(tài)變化，（4）基于擴展的Derjaguin-Landau-Verwey-Overbeek（XDLVO）理論分析顆粒污泥中細胞表面相互作用能和污泥聚集能力，以及（5）闡釋菌絲球裹藻凝結(jié)核強化ABGS快速形成的作用機制。研究成果為ABGS的定向誘導、快速形成和結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性調(diào)控提供新的方法和思路，為ABGS技術(shù)的工程應用提供有力的理論指導和技術(shù)支撐。
圖文導讀
菌絲球裹藻凝結(jié)核的最佳合成條件
圖1：MPs的生長曲線（a）；接種孢子密度（b）、pH（b）、轉(zhuǎn)速（d）、溫度（e）對MPs形成的影響；采用共培養(yǎng)法（f）和吸附法（g）時吸光度隨時間的變化；MPs培養(yǎng)時間（h）、藻細胞投加量（i）和MPs投加量（j）對AMPs形成的影響；MPs（k）和AMPs（l）的微觀形貌觀察。
在最初72h內(nèi)MPs的生物量急劇增加，隨后進入穩(wěn)定期（圖1a）。圖1b-e表明，MPs的最佳培養(yǎng)條件為：孢子濃度為6.3×106CFU/mL、pH為6.0、轉(zhuǎn)速為150rpm、溫度為30℃。對制備AMPs的方法進行了比較分析（圖1f，g，l），得出吸附法為AMPs的最佳制備方法。通過考察MPs培養(yǎng)時間、MPs投加量和藻細胞投加量對絮凝效果的影響，進一步優(yōu)化了AMPs的制備條件。當投加培養(yǎng)時長為3d的MPs、藻液投加量為50mL、MPs投加量為12g（濕重）時，藻細胞的絮凝效率達到最大值（~99.0%）（圖1h-j）。
在最優(yōu)條件下制備的MPs其核心結(jié)構(gòu)緊湊、邊緣松散、尺寸均勻（圖1k）。MPs與AMPs除了顏色不同，形態(tài)上無明顯差異（圖1l）。SEM和TEM圖像顯示（圖1l），小球藻緊密附著在菌絲上，主要分布在AMPs的外層。此外，長而致密的菌絲在AMPs內(nèi)相互纏繞，使得AMPs表面形成了一定的通道和孔隙，這種多孔結(jié)構(gòu)有利于氧氣和營養(yǎng)物質(zhì)傳質(zhì)。
菌絲球裹藻凝結(jié)核強化作用下污泥的顆粒化過程
圖2：R1-R3中的ML(V)SS（a-c），SVI30和SVI30/SVI5（d），ABGS平均粒徑（e），葉綠素α濃度（f）的變化情況。R1：對照組；R2：投加MPs；R3：投加AMPs。
活性污泥接種后，R1-R3中初始MLSS濃度約為3.6g/L，R2和R3中分別投加0.1g/L（干重）的MPs和AMPs（MPs/AMPs與AS的干重比為2.5%）。由圖2可知，第12天時R3中污泥的平均粒徑已超過300μm，SVI30/SVI5比值達到0.87，可知ABGS在12天內(nèi)實現(xiàn)了完全顆粒化。此時，ABGS的粒徑為3.3mm，MLSS濃度為2.2g/L，葉綠素α含量為3.8mg/L，SVI30值為53.2mL/g，與R1和R2中形成的ABGS相比之下，R3中的污泥性質(zhì)更優(yōu)。顯微結(jié)構(gòu)觀察顯示投加的AMPs主要位于ABGS的核心區(qū)域，證實了強化方法的有效性。上述研究結(jié)果表明，AMPs的投加有效地促進了自維持ABGS的形成，且細菌和藻類之間良好的共生關(guān)系有助于維持顆粒結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。
污染物去除效能和質(zhì)量平衡分析
圖3：R1-R3中COD去除效率（a）、NO2--N和NO3--N出水濃度（b）、TN去除效率（c）、PO43--P去除效率（d）的變化情況。R1：對照組；R2：投加MPs；R3：投加AMPs。
R3系統(tǒng)中COD的平均去除率（98.6%）高于R1（96.4%）和R2（98.1%）（圖3a），而三者之間NH4+-N去除效率差別不大（接近100%），不存在明顯的NO2--N積累現(xiàn)象，表明ABGS體系具有良好的硝化性能。隨著運行時間的延長，R1-R3系統(tǒng)中出水NO3--N濃度有明顯的下降趨勢，相應地，TN去除效率得到提高（圖3b和c）。第35天時R3系統(tǒng)出水中NO3--N濃度（11.5mg/L）低于R1（19.5mg/L）和R2（12.5mg/L）（圖3b）。這可能是由于R3系統(tǒng)中顆粒粒徑較大，顆粒內(nèi)部的厭氧/缺氧區(qū)域為反硝化細菌的生長創(chuàng)造了有利的條件。由圖3d可知，R3系統(tǒng)對PO43--P的平均去除效率超過80.0%，表現(xiàn)出較好的PO43--P去除效果。由圖4可見，污水中的C、N、P主要通過細菌代謝去除，R3系統(tǒng)中微藻對C、N、P的去除貢獻率分別為34.6%、17.0%、10.0%，明顯高于R1和R2。R3系統(tǒng)中投加的AMPs絮凝了較多的藻細胞（絮凝效率達到99%），而藻類（特別是綠藻）能夠吸收氮、磷等營養(yǎng)物質(zhì)作為能量來源合成細胞物質(zhì)，這可能是該系統(tǒng)除污染效能較高的重要原因。
圖4：R1-R3反應器中ABGS的C、N、P質(zhì)量流。R1：對照組；R2：投加MPs；R3：投加AMPs。
基于XDLVO理論的表面熱力學分析
圖5：接種污泥（a）和R1-R3系統(tǒng)中污泥的XDLVO位能曲線（b-d）。R1：對照組；R2：投加MPs；R3：投加AMPs。
在XDLVO理論總位能曲線上大都存在一個最高點，稱為斥力勢壘，只有當微生物粒子具有能夠翻越過這個勢壘的動能，才能發(fā)生絮凝沉降，所以斥力勢壘的高低往往決定著體系的穩(wěn)定性大小。勢壘越高，說明體系越穩(wěn)定，絮凝沉降性能越差；反之，勢壘越低，微生物只需要較低的動能就可以翻越勢壘，容易發(fā)生沉降。在本研究中，通過比較各個系統(tǒng)中污泥的總勢能曲線，發(fā)現(xiàn)R1和R2系統(tǒng)中的污泥其能壘分別為138.98kT和109.64kT，顯著高于R3系統(tǒng)中的能壘（89.93kT），表明投加菌絲球裹藻凝結(jié)核強化形成的ABGS具有最低的能量勢壘和較強的微生物聚集能力。
細菌、藻類和真菌的群落結(jié)構(gòu)分析
圖6：接種污泥和R1-R3系統(tǒng)中形成的ABGS在門水平（a）和屬水平（b）上微生物種群的相對豐度，ABGS中的藻類在屬水平的相對豐度（c）和真菌在屬水平上的相對豐度（d），屬分類水平上的熱圖（e），相對豐度位于前20個的菌屬與EPS含量和N、P去除效率之間的聚類分析（f）。R1：對照組；R2：投加MPs；R3：投加AMPs。
隨著顆粒化過程的進行，三個光生物反應器中放線菌門（Actinobacteriota）的相對豐度急劇下降至0.21%以下（圖6a），變形菌門（Proteobacteria）的相對豐度顯著提高，尤其是R3中該菌門的相對豐度增加至62.68%，是接種污泥的3.7倍。在屬水平上，所有ABGS樣品中的優(yōu)勢菌屬與接種污泥的優(yōu)勢菌屬具有明顯的差異性（圖6e）。具體地說，R1、R2和R3系統(tǒng)中屬于變形菌門的Neomegalonema其相對豐度分別增加至43.82%、20.71%和46.11%（圖6b）。本研究進一步將相對豐度位于前20的微生物種屬與EPS含量和TN、PO43--P去除效率之間進行了相關(guān)性分析，發(fā)現(xiàn)TN、PO43--P去除效率和EPS含量與Neomegalonema呈正相關(guān)關(guān)系（圖6f）。已有研究顯示，Neomegalonema不僅是一種聚磷菌，且能夠吸收有機物質(zhì)和含氮物質(zhì)，同時也是一種重要的胞外聚合物產(chǎn)生菌，與本研究的結(jié)果相一致。
在藻類的屬分類水平上，R3系統(tǒng)中Chlorella_f_Cholrellaceae的相對豐度（23.25%）高于R1（18.52%）和R2（11.68%），表明MPs絮凝的小球藻在R3系統(tǒng)中得到了有效富集（圖6c）。小球藻在生長過程中能夠?qū)U水中的N和P同化為磷脂、核酸和核苷酸等細胞成分，從而有利于廢水中營養(yǎng)物質(zhì)的去除。圖6d顯示了ABGS中真菌在屬水平上的分布情況。由圖可知，R1、R2和R3系統(tǒng)中優(yōu)勢真菌分別是彎頸霉屬（Tolypocladium）、鏈枝菌屬（Catenaria）和黑曲霉菌屬（Aspergillus）。R3中Aspergillus在的相對豐度為38.76%，明顯高于R1（0.96%）和R2（3.76%）中的相對豐度。以上研究結(jié)果顯示，AMPs中的Aspergillus在光生物反應器中具有較好的適應性，可維持較好的生物活性。
小結(jié)
本研究基于菌-藻共生好氧顆粒污泥（ABGS）的自然形成規(guī)律，提出了一種利用菌絲球裹藻凝結(jié)核強化無曝氣條件下自維持菌-藻共生好氧顆粒污泥快速形成的新方法。結(jié)果表明，ABGS可在12天內(nèi)實現(xiàn)完全顆粒化，且具有粒徑大、結(jié)構(gòu)緊湊、沉降性能好、生物活性高、去除污染物效果優(yōu)異等特點。微觀觀察顯示，定向投加的藻類（Chlorella）和真菌（Aspergillus）作為顆粒污泥的核心。此外，本研究從胞外聚合物組成成分、群落結(jié)構(gòu)組成（真菌、細菌和藻類）以及微生物聚集能力等角度，系統(tǒng)解析了菌絲球裹藻凝結(jié)核強化污泥快速顆粒化的作用機制。
