成果简介

近日，哈尔滨工业大学任南琪院士团队贺诗欣教授在ESE上发表了题为“Advanced wastewater treatment with microalgae-indigenous bacterial interactions”的论文。本文构建了连续流微藻-土著细菌污水深度处理体系（CFMBAWTS），研究了不同水力停留时间（HRT）下CFMBAWTS的运行效能和微生物互作机理，得到了满足不同氨氮和磷排放标准（II类、V类、IA类和IB类）的HRT，揭示了微藻和土著细菌之间稳定的自适应机制和协同作用对微生物群落组成，脱氮除磷，CO₂固定和能源生产的影响。该研究不仅证实了CFMBAWTS的可行性，而且为深化我们对该技术的理解和推动其在污水处理厂的实际应用奠定了重要基础。

引言

污水处理厂（WWTPs）的二级污水处理过程中由于碳（C）源含量低且C:氮（N）:磷（P）比例不平衡，导致二级出水中的N和P通常无法达到严格的污水排放标准。因此，有必要采用有效的深度处理方法去除二级出水中过量的N，尤其是硝态氮（NO₃^--N）和氨氮（NH₄⁺-N），以及P。然而，常见的物理化学法和膜深度处理技术（如高级氧化、活性炭吸附和膜工艺）因运行成本高和氮磷资源浪费而面临巨大挑战。据报道，中国的总磷（TP）和NH₄⁺-N回收率分别为35.7%和35.8%。此外，传统生物深度脱氮除磷工艺产生的大量碳排放也是污水处理厂面临的一个主要问题，南非、中国、德国和美国记录的碳排放强度分别超过0.99、1.17、0.68和0.72 kg CO₂ eq kWh⁻¹ 。基于此，需要开发一种经济、环保、高效的深度处理技术以突破上述瓶颈。

微藻-细菌污水处理体系（MBWTS）可在无需提供额外C源的情况下高效去除污水中的P和N，并具有较高的CO₂固定和增值成分积累优势，因此其被认为是传统生物脱氮技术的一种有前途的替代技术。然而，对于MBWTS的大规模应用仍有一些缺点需要克服。（1）人工污水被广泛应用于MBWTS，阻碍了其实际应用。（2）将微藻与活性污泥混合通常是建立MBWTS和提高生物质收获的方法，但是这会延长培养时间，增加运行成本，并限制其进一步发展。最近，研究人员开发了一种新型微藻-真实污水处理系统，以促进实际应用和可持续性。但是微藻和土著细菌之间的自适应和协同作用尚不清楚。不可否认，微藻和土著细菌在MBWTS中的自适应是维持微生物活性、功能、相互作用，以及提高能量化合物（碳水化合物或脂类）产量和去除氮磷的先决条件。微藻和土著细菌可以通过抑制不良因子、吸收氮磷并提供彼此所需的辅助因子和营养物，为彼此提供稳定的自适应环境。这些自适应因子的协同相互作用可以促进微生物生长、营养交换、完全营养去除和能量产生。然而，详细的机制、相应的代谢途径以及相关的功能基因尚不清楚。此外，关于微生物演替、微藻与土著细菌之间脱N除P机理、CO₂固定和生物量收获的研究仍然有限，无法为实际应用提供有力支持。（3）微藻种类和间歇式体系始终是MBWTS大规模扩展的主要限制因素。并非所有微藻物种都能与细菌共存，同时在复杂的实际污水环境中提高生物量收获。出于实际考虑，微藻物种选择应该被探索。间歇式体系，如固定体积、复杂条件和长期操作，阻碍了其大规模应用的可行性。相比之下，连续流系统（CFS）可以弥补上述不足，是将MBWTS从实验室规模过渡到实际实施的理想选择。

基于此，本研究构建了CFMBAWTS，确定了适合CFMBAWTS的微藻种类。监测了长期稳定连续运行（120天）条件下CFMBAWTS中N、P、生物量、叶绿素含量、CO₂固定、碳水化合物和脂质的变化，得到满足不同的N和P排放标准（II类、V类、IA类和IB类）的HRT。最后，确定了体系内稳定的自适应机制、协同作用、脱N除P过程和微生物组成，以全面了解CFMBAWTS的稳定性和可行性。该研究为实现低能耗、高效率、低C排放和提高资源回收率的污水深度处理的适用性提供了有价值的参考，同时揭示了在严格的污水排放标准下微藻污水处理装置的发展趋势。

导读内容一：藻种的选择

F2的生物量浓度和CO₂的固定能力高于MA1和JSC4。且F2具有较好的沉降性，其次是JSC4和MA1。此外，只有F2将GB 18918—2002的二级排放水中的NH₄⁺-N和TP浓度提高到GB 3838—2002的二级排放标准，表明藻株F2具有较好的应用潜力。综上所述，藻株F2在污水中的自适应能力和处理效能等均优于MA1和JSC4，因此，F2更适合CFMBAWTS。

导读内容二：不同HRT下F2-CFMBAWTS的运行效能

为了探索CFMBAWTS的性能，研究了不同HRT下的微藻生物量、叶绿素含量、CO₂固定以及污水中的N和P浓度。在HRT为15 h时获得了较高的微藻生物量（1.65 g/L）和叶绿素含量（14.54 mg/L），而在HRT为6 h时获得了最低的微藻生物量（1.38 g/L）和叶绿素含量（8.45 mg/L）。同样，在较高的营养负荷下，CO₂固定率（0.12 g/L/h）显著增加。在HRT为15 h时观察到最高的CO₂固定能力（1.23 g/L）。当水力停留时间大于6 h时，TP可被完全去除。当HRT分别为15、12、8和6 h时，出水中的NH₄⁺-N和P浓度分别符合二级和五级（GB 3838—2002）、一级a和一级b（GB 18918—2002）污水排放标准。

导读内容三：HRT对F2-CFMBAWTS能源生产潜力的影响

研究了脂质和碳水化合物的含量和组成以及能量产量，以了解CFMBAWTS的能量生产潜力。当HRT从6 h增加到15 h时，总能量产量最高（32.35 kJ/L），由脂质（20.36 kJ/L）和碳水化合物（11.99 kJ/L）组成。HRT为15 h时，脂肪和碳水化合物含量最高，分别为33.91%和41.91%。此外，不同HRT下的脂肪酸和碳水化合物组成相似。葡萄糖含量最高，其次是阿拉伯糖和木糖，这表明微藻生物量可以为产生生物乙醇提供巨大的来源材料。此外，微藻可以合成大量适合制造生物柴油的C16-C18脂肪酸。C18:1是影响生物柴油质量的关键因素，C18:1是菌株F2-CFMBAWTS中的主要脂肪酸，这意味着该菌株可以有效地将C、N和P源从污水中转化为高质量的生物乙醇或生物柴油，进一步使CFMBAWTS更加环保和经济可行。

导读内容四：HRT对F2-CFMBAWTS微生物群落组成的影响

为了揭示CFMBAWTS的生物自适应和协同作用机制，研究了不同HRT下微生物群落的变化。如图3d所示，绿藻在不同HRT下占最大比例，且高于其在原污水中的比例，这表明微藻适应在污水中生存。此外，绿藻门的百分比随着HRT的增加而增加，表明微藻可以从污水中吸收更多的N、P和营养物以实现更高的细胞生长，从而导致更低的出水N和P浓度。

Proteobacteria、Bacteroidetes和Firmicutes是所有类群中最丰富的细菌门。与原污水相比，在不同HRT下，Proteobacteria的相对丰度增加，Bacteroidetes和 Firmicutes的相对丰度下降，表明Proteobacteria、Bacteroidetes和Firmicutes能与微藻建立长期稳定的协同作用和自适应关系。变形菌促进了微藻-细菌絮凝物的形成，增强了生物量收获，并避免了微生物从CFMBAWTS中被冲走。Bacteroidetes和Firmicutes参与了硝化和反硝化，表明它们可以与微藻竞争N源，而微藻产生溶解氧可以抑制其生长。

在纲水平上，所有组中α变形菌和γ变形菌的百分比明显不同。不同HRT下的CFMBAWTS中γ-变形菌和α-变形菌的总百分比均高于原污水。这可能是因为γ变形菌和α变形菌可以提供维生素和酰基高丝氨酸内酯信号分子，为微藻生长创造有利的自适应环境。

就属水平而言，在CFMBAWTS中，Sphingopyxis和Caulobacter的相对丰度随着HRT的增加而增加。Sphingopyxis和Caulobacter分泌细胞外聚合物质（EPSs）,可以促进微藻-细菌絮凝物的形成，从而加强微藻和细菌之间的相互作用，在较长的HRT下实现较低的污水N和P浓度以及较高的微藻生长。当HRT从6 h增加到15 h时，Hyphomicrobium的相对丰度降低，而Brevundimonas的相对丰度增加，这表明微藻通过释放DO对Hyphomicrobium产生负面影响。Brevundimonas已被证明可将微藻的生长提高3倍。有趣的是，在不同的HRT下观察到Thauera和Acinetobacter的不规则变化。当HRT为12 h和15 h时，相对丰度较低。相对而言，当HRT为8 h和6 h时，Thauera的相对丰度较高。Thauera是一种好氧反硝化细菌，可以提高NO₃^--N的去除，并在好氧环境中与微藻竞争NO₃^--N同化。Acinetobacter在HRT为6 h时富集，可通过分泌IAA促进微藻生长。CFMBAWTS中硝化细菌（Nitrincola）的相对丰度低于原污水，暗示微藻可能比Nitrincola具有更强的竞争NH₄⁺-N同化的能力。微藻和细菌之间形成了稳定的自适应和协同作用，有利于CFMBAWTS的长期稳定运行。

导读内容五：HRT对F2-CFMBAWTS功能基因的影响

为了更好地理解CFMBAWTS中的自适应和协同相互作用机制，分析了一系列功能基因。一般来说，NH₄⁺-N的去除途径主要是硝化和同化。微藻可以为硝化细菌的生长创造良好的自适应条件（氧），实现NH₄⁺-N向NO₂^--N和NO₃^--N的转化。此外，NH₄⁺-N也可以通过微藻同化作用去除。随着HRT的增加，与硝化作用相关的功能基因的丰度下降，表明微藻通过与硝化细菌竞争NH₄⁺-N抑制硝化细菌的富集，从而提高了微藻的自适应能力同时增强了NH₄⁺-N同化作用。就NO₃^--N去除而言，主要与异化NO₃^--N还原和反硝化。在不同HRT下，异化NO₃^--N还原相关基因的丰度保持稳定，表明微藻可以为异化NO₃^--N还原提供稳定的自适应条件。当HRT从6 h增加到15 h时，反硝化相关基因减少，这表明微藻对CFMBAWT中反硝化的影响比异化NO₃^--N还原更大。对于整个NO₃^--N去除途径，当HRT从6 h增加到15 h时，功能基因的丰度和出水NO₃^--N浓度均下降，这意味着氧存在下微藻可以弥补细菌NO₃^--N去除的不足。对于P而言，P相关功能基因的总丰度随着HRT的增加而降低，这意味着CFMBAWTS中P的去除主要与微藻的同化作用有关。综上，微藻与细菌之间稳定的自适应和协同作用共同影响了细菌的N和P代谢，且微藻有效弥补了功能细菌的不足，进而提高了N和P的去除。更重要的是，还获得了更好的微藻生物量积累和可观的碳水化合物和脂质产量。

据报道，细菌可以提供辅因子（如维生素、铁载体和植物激素）来促进微藻生长以及碳水化合物和脂质积累。在CFMBAWTS中研究了与辅因子相关的代谢途径。众所周知，维生素B12、维生素B1和维生素B7是微藻生长的必要维生素。然而，大多数微藻缺乏产生维生素的合成途径。因此，微藻所需的这些维生素通常从外源环境来源中获取。在这项研究中，检测到35、10和13个与细菌维生素（分别为维生素B12、维生素B1和维生素B7）代谢有关的基因。结果表明细菌和微藻之间的维生素交换与微藻生长密切相关。更重要的是，这些维生素可以直接被微藻代谢利用；维生素B7、B1和B12将分别参与微藻的脂肪酸合成代谢、初级碳水化合物代谢以及脂质和碳水化合物代谢，以改善微藻中碳水化合物和脂质的积累。此外，维生素B2是黄素腺嘌呤二核苷酸和黄素单核苷酸的基本成分，并可能在微藻生长中发挥重要作用。在这项研究中，观察到与维生素B2代谢途径相关的基因。这些功能基因的丰度与细胞生长趋势一致，这意味着维生素B2可能对微藻的生长具有有益的影响。

此外，铁是微藻代谢不可或缺的元素，并影响碳固定和细胞生长率。然而，铁（三价铁离子Fe³⁺）在水中的低溶解度可能会阻止微藻吸收铁。有趣的是，细菌产生的铁载体可被视为细菌和微藻之间的重要介质，并可表现出较高的铁结合亲和力以增加其溶解性。简而言之，铁载体可以结合铁并产生Fe³⁺，在微藻通过铁还原酶/邻近的Fe²⁺转运蛋白吸收铁之前，Fe³⁺可被还原为亚铁离子（Fe²⁺）。与此同时，作为回报，微藻将通过“碳铁共生”提供溶解有机物（DOM）以促进细菌的生长。发现了三种铁载体，它们被证明是促进微藻铁吸收和生长的有益元素。值得注意的是，当HRT从6 h增加到15 h时，与铁载体合成酶相关的基因增加，这表明铁载体可以增强微藻的代谢并加速碳水化合物和脂质的积累。

吲哚-3-乙酸（IAA）的合成和利用是另一个主要机制。具体来说，细菌可以利用内源性色氨酸（Trp）作为IAA生物合成的前体以及分泌IAA来促进微藻生长、卡尔文循环和脂肪酸合成。同时，微藻分泌Trp诱导细菌产生更多的IAA，形成微藻和细菌之间的有利交流。在CFMBAWTS中，细菌IAA由色氨酸通过四种途径合成。当HRT从6 h增加到15 h时，这些途径的基因丰度也在增加，并且IPA和IAN途径中的基因丰度相对较高，表明IPA和IAN是CFMBAWTS中分泌IAA的重要途径。而无论HRT如何，稳定的自适应过程和协同作用总是同时发生，完成连续的污染物去除和能量产生。

小结

这项工作首次全面研究了CFMBAWTS的性能和机理。结果表明，在稳定运行120天的CFMBAWTS中实现了污水的深度处理。随着HRT的增加，获得了令人满意的N和P去除效率、高微藻生物量浓度、高CO₂固定率和优异的能源产生。此外，出水NH₄⁺-N和P浓度符合严格的污水排放标准。值得注意的是，CFMBAWTS中微藻细胞的主要组成是葡萄糖、C18:0、C18:1、C18:2和C18:3，与HRT变化无关。更重要的是，自适应和协同作用是微生物生长、脱N除P、固定CO₂、积累碳水化合物和脂类的主要机制。总之，这项工作可以为CFMBAWTS在未来污水深度处理中的应用提供新的见解，并为藻-菌体系的发展提供强有力的支持。

作者简介

贺诗欣，国家高层次人才，现任职于哈工大环境学院，并担任国合基地副主任。近年来，主持并参与了包含中组部、基金委、科技部等项目共15项。主要从事藻菌污水处理与藻渣资源化、及环境功能材料开发等相关领域的研究。在Nat. Water, Nat. Biomed. Eng. ,Environ. Sci. Technol., Water Res.等发表SCI论文300余篇，总引用23 000余次（Google Scholar），H index为82（Google Scholar），30余篇高被引论文。连续多年入选世界前2%科学家终身榜单并入选科睿唯安（Clarivate）全球高被引科学家和爱思唯尔（Elsevier）中国高被引学者等。拥有授权发明专利10余项，开展成果转化应用多项。现担任中组部、教育部、科技部、基金委和国内外高校人才评审专家等，并担任Environ. Sci. Ecotechnol., J. Hazard. Mater., Chin. Chem. Lett.等期刊副主编、编委或客座编委。

第一作者：李雪，女，哈尔滨工业大学环境学院博士生。

论文信息

原文标题：Advanced wastewater treatment with microalgae-indigenous bacterial interactions

引用信息：Li, X., Li, S., Xie, P., Chen, X., Chu, Y., Chang, H., ... & Ho, S. H. (2024). Advanced wastewater treatment with microalgae-indigenous bacterial interactions. Environmental Science and Ecotechnology 20: 100374.

doi: https://doi.org/10.1016/j.ese.2023.100374