Characterizing algal-bacterial symbiotic biofilms: Insights into coexistence of algae and anaerobic microorganisms

表征藻類-細(xì)菌共生生物膜：深入了解藻類和厭氧微生物共存

來源：Bioresource Technology 406 (2024) 130966

1. 摘要核心內(nèi)容

研究系統(tǒng)：構(gòu)建了藻類/部分硝化/厭氧氨氧化（APNABS）生物膜系統(tǒng)，運行240天。

關(guān)鍵性能：總氮（TN）去除率 >90%，無需曝氣或外加有機碳源。

生物膜結(jié)構(gòu)：

外層（0-0.48 mm）：藻類主導(dǎo)（產(chǎn)氧區(qū)）。

中層（0.48-0.86 mm）：氨氧化菌（AOB）主導(dǎo)（耗氧區(qū)）。

內(nèi)層（>0.86 mm）：厭氧氨氧化菌（AnAOB）主導(dǎo)（厭氧區(qū)）。

優(yōu)勢微生物：

藻類：Chlorella（相對豐度11.80%）。

AOB：Nitrosomonas（19.77%）。

AnAOB：Candidatus_Kuenenia（3.07%）。

2. 研究目的

解決痛點：傳統(tǒng)脫氮工藝能耗高（需曝氣+碳源），藻-菌共生系統(tǒng)可節(jié)能46%，但依賴好氧菌（如硝化菌），仍需外加碳源。

創(chuàng)新目標(biāo)：將厭氧氨氧化（Anammox）引入藻-菌系統(tǒng)，構(gòu)建分層生物膜，實現(xiàn)無曝氣、無碳源的高效脫氮。

核心問題：揭示藻類與嚴(yán)格厭氧菌（AnAOB）在生物膜中共存的機制。

3. 研究思路

采用三階段遞進(jìn)式構(gòu)建生物膜：

Anammox階段（1-40天）：

接種AnAOB污泥，無光照，培養(yǎng)厭氧氨氧化生物膜（TN去除率87.86%）。

PN/A階段（41-100天）：

添加AOB污泥，低DO曝氣（0.25–0.85 mg/L），構(gòu)建部分硝化-厭氧氨氧化生物膜（TN去除率84.97%）。

A/PN/A階段（101-240天）：

添加藻類（Chlorella sorokiniana），光照替代曝氣（250 μmol/m2·s），形成共生系統(tǒng)（TN去除率>90%）。

4. 測量數(shù)據(jù)及研究意義

（1）水質(zhì)與生物量指標(biāo)（圖1）

數(shù)據(jù)：NH??-N、NO??-N、NO??-N濃度、DO、MLSS、Chl-a/VSS。

意義：

驗證系統(tǒng)脫氮性能（TN去除率>90%）（圖1d）。

揭示藻類生長（Chl-a/VSS↑）與DO的關(guān)系（圖1c,e）：藻類過厚（>160天）導(dǎo)致光限制，DO↓影響AOB活性；攪拌優(yōu)化后恢復(fù)穩(wěn)定。

（2）生物膜結(jié)構(gòu)與組成（圖2）

數(shù)據(jù)：顯微鏡/SEM形態(tài)、FISH微生物空間分布（AnAOB內(nèi)層、AOB中層、藻類外層）。

意義：證實分層結(jié)構(gòu)是藻類與厭氧菌共存的基礎(chǔ)（圖2b）。

（3）EPS分析（圖3）

數(shù)據(jù)：EPS含量（蛋白質(zhì)/多糖）、3D-EEM熒光峰、FTIR官能團。

意義：

EPS總量隨生物膜復(fù)雜度增加（A/PN/A階段達(dá)72.90 mg/g VSS）（圖3a,b）。

蛋白質(zhì)主導(dǎo)（>90%），增強生物膜穩(wěn)定性；多糖增加（LB-EPS↑32.41%）促進(jìn)微生物聚集（圖3c,d）。

（4）DO梯度測量（圖4a）

工具：丹麥Unisense微電極（OX-N型），步長100 μm。

數(shù)據(jù)：DO濃度剖面及二階導(dǎo)數(shù)模型。

意義（核心創(chuàng)新點）：

分區(qū)量化：通過二階導(dǎo)數(shù)極值點劃分生物膜功能區(qū)：

0–0.48 mm：產(chǎn)氧區(qū)（藻類光合作用，DO↑）。

0.48–0.86 mm：耗氧區(qū)（AOB耗氧，DO↓速率最大點0.69 mm）。

>0.86 mm：厭氧區(qū)（DO <0.32 mg/L，AnAOB脫氮）。

機制驗證：證明藻類產(chǎn)氧被AOB快速消耗，為AnAOB維持厭氧環(huán)境。

工藝優(yōu)化依據(jù)：過厚生物膜（>160天）導(dǎo)致內(nèi)層藻類呼吸耗氧，抑制AOB活性；需控制厚度（攪拌優(yōu)化）。

（5）微生物群落與功能基因（圖5）

數(shù)據(jù)：宏基因組分析（門/屬水平豐度、氮代謝基因）。

意義：

優(yōu)勢菌群：Planctomycetes（AnAOB）、Proteobacteria（AOB）、Chlorophyta（藻類）（圖5a,b）。

功能基因：hzs/hdh（anammox）、amo（AOB）、Glt（藻類同化）協(xié)同脫氮（圖5c）。

5. 核心結(jié)論

系統(tǒng)可行性：APNABS可實現(xiàn)>90% TN去除，無需曝氣或碳源，節(jié)能高效。

生物膜分層機制：

藻類（外層）產(chǎn)氧 → AOB（中層）耗氧 → AnAOB（內(nèi)層）厭氧脫氮。

DO梯度（Unisense測量）是分區(qū)共存的關(guān)鍵證據(jù)。

微生物協(xié)作：

Chlorella、Nitrosomonas、Candidatus_Kuenenia為功能核心。

藻類同化（Glt基因↑）進(jìn)一步降低出水NO??-N。

工程啟示：控制生物膜厚度（避免過厚）是維持系統(tǒng)穩(wěn)定的關(guān)鍵。

6. Unisense電極數(shù)據(jù)的深層意義

技術(shù)價值：首次通過微電極原位測量量化藻-菌-厭氧菌生物膜的三維DO梯度，突破傳統(tǒng)生物膜研究的間接推測局限。

科學(xué)意義：

揭示光-氧-菌空間耦合機制：藻類光合產(chǎn)氧的擴散邊界（0.48 mm）、AOB最大耗氧位點（0.69 mm）、AnAOB厭氧閾值（0.86 mm）。

提出二階導(dǎo)數(shù)模型：將DO變化速率轉(zhuǎn)化為微生物活性指標(biāo)，為生物膜分區(qū)提供數(shù)學(xué)依據(jù)。

應(yīng)用指導(dǎo)：

優(yōu)化光照/攪拌策略：避免生物膜過厚（>0.86 mm）導(dǎo)致內(nèi)層缺氧。

支撐類似系統(tǒng)設(shè)計（如藻類-厭氧菌耦合工藝）的參數(shù)調(diào)控。

總結(jié)：該研究通過創(chuàng)新性的分層生物膜構(gòu)建與Unisense微電極驗證，解決了藻類與嚴(yán)格厭氧菌共存的難題，為低碳廢水處理提供了理論和技術(shù)范式。