《Ecological Engineering》：Long-term bioaugmentation of a carrier enhanced duckweed-based wastewater treatment system via the addition of activated sludge and denitrifying phosphate-accumulating bacterium
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鸭跖草生物强化系统长期运行效果：添加Pseudomonas sp. DWP1和活性污泥均提升溶解氧、氧化还原电位，促进鸭跖草生长64.95%和41.39%，增强氮磷回收率（氮71.43%、磷71.43%），降低甲烷排放68.88%和33.16%，DWP1在微生物多样性及系统性能提升上更优。
赵永贵|马瑞东|李西西|李金全|梁天宁|李伟|常俊俊|段长群
中国云南省高原山地生态与退化环境修复重点实验室、植被结构功能与建制国家重点实验室（VegLab）及云南大学生态与环境科学学院，昆明650500
摘要
浮萍在植物修复方面相较于其他水生植物具有明显优势。生物强化是一种有前景的方法，可提升各种废水处理系统的处理效果，包括基于浮萍的系统（DS）。然而，目前缺乏适用于现场规模DS生物强化的合适接种剂，且这些接种剂的长期存活能力和作用机制仍不甚明了。为解决这一问题，我们分别将一种单一菌株（Pseudomonas sp. DWP1）和混合培养物（活性污泥）添加到两个载体增强的DS中，通过与另一个对照DS进行为期一年的比较，系统评估它们的应用潜力。结果表明，添加菌株DWP1和活性污泥提高了池塘水的溶解氧浓度和氧化还原电位。同时，它们促进了浮萍的生长（分别增加了64.95%和41.39%），增强了营养物质的回收（氮分别增加了68.97%和44.83%，磷分别增加了71.43%和42.86%），并减少了DS中的污染物排放（CH4分别减少了68.88%和33.16%）。与活性污泥相比，菌株DWP1对微生物多样性、群落组成以及优势菌群的相对丰度影响更为显著，这可能归因于其在浮萍系统中的高适应性和成功存活能力，从而在浮萍生物量产生、水质净化和碳排放减少方面表现出更好的生物强化效果。因此，菌株DWP1在DS生物强化方面的应用潜力大于活性污泥。
引言
近年来，大量污染物（包括有机物、氮（N）和磷（P）从各种来源排放，对全球水环境构成了严重威胁。为了减轻和防止这些污染物的不良影响，人们采用了多种方法，包括活性污泥和植物修复技术。植物修复利用植被和微生物进行营养物质回收和环境净化，已被广泛认为是处理多种废水和受污染水体的低成本、环保且可持续的方法（Hu等人，2020年）。不同种类的水生植物，如微藻、凤眼莲、浮萍、Phragmites和Myriophyllum，已被用于废水植物修复（Hu等人，2020年；Kurniawan等人，2021年；Zhao等人，2014a年）。
浮萍属于莱姆纳科（Lemnaceae）的小型浮水植物，在植物修复方面具有明显优势。它生长迅速、生物积累能力强且易于收割（Mkandawire和Dudel，2007年）。更重要的是，其生物量含有高水平的蛋白质、淀粉和药用成分（如黄酮类），而纤维素、半纤维素和木质素的含量较低（Pagliuso等人，2020年；Zhao等人，2014a年）。这使得浮萍成为生物燃料、牲畜饲料和人类食品的理想原料（Liu等人，2021年）。因此，浮萍是一种出色的生物修复植物，能够以经济高效、环保和可持续的方式减轻水污染并回收营养物质（Fernandez Pulido等人，2021年；Iatrou等人，2015年；Zhou等人，2023年）。
在基于浮萍的废水处理系统（DS）中，虽然浮萍的吸收是主要的营养去除途径，但微生物在此过程中的作用不容忽视（Ma等人，2023年）。DS中的微生物不仅可以通过微生物同化、转化和降解途径去除污染物，还能促进浮萍生长，从而有助于污染物去除（Cai等人，2022年；Ishizawa等人，2020年）。然而，在DS中，由于缺乏微生物定殖和生物膜形成的固体基质，微生物对营养去除的贡献受到限制。因此，在我们之前的研究中，我们在DS中添加了人工载体以支持微生物生物膜的形成和营养去除（Zhao等人，2015年）。不幸的是，直到运行约4个月后，才观察到载体上的稳定生物膜及其功能。即使形成了稳定的生物膜，也只是分别提高了总氮（TN）和铵氮（NH4+-N）的去除率19.97%和15.02%，对浮萍生长、碳（C）、氮（N）和磷（P）的回收以及总磷（TP）的去除没有明显效果（Zhao等人，2015年）。这种现象可能是由于废水中功能性微生物的数量有限，以及这些微生物在载体表面的富集速度较慢。因此，迫切需要结合其他技术（如生物强化）来加速生物膜的形成并提升DS的处理效果。
生物强化是指将选定的菌株或混合培养物引入处理系统以提高污染物去除效率的过程（Herrero和Stuckey，2015年）。许多研究表明，生物强化是提升各种废水处理系统处理效果的有前景的方法，例如序批反应器（Yang等人，2020年）、 constructed wetlands（Lin等人，2023年；Tondera等人，2021年）和生态浮床系统（Cheng等人，2022年）。生物强化在DS中也日益受到重视。已分离出许多促进浮萍生长的细菌，包括Pseudomonas和Acidobacteria菌株（Cai等人，2022年；Shen等人，2019年；Yamakawa等人，2018年）。其中一些细菌已被证明可以在实验室规模的DS中促进污染物去除（Cai等人，2022年；Shen等人，2019年），并在实际废水处理的DS中存活（Ishizawa等人，2020年；Toyama等人，2017年）。然而，关于生物强化在现场规模DS中的长期存活能力和可扩展性的报道较少，其作用机制也尚不清楚。
探索适合DS生物强化的接种剂至关重要。常用的微生物接种剂包括单一菌株和含有多种已知菌株或未鉴定菌群的混合培养物（如活性污泥）（Cheng等人，2022年；Lawniczak和Marecik，2019年；Van Der Gast等人，2004年）。具有浮萍生长促进能力的反硝化磷酸盐积累细菌，如从DS载体生物膜中分离出的Pseudomonas sp. DWP1（Zhao等人，2015年），因其多功能特性和对原始环境的强适应性而具有很大的应用潜力。活性污泥作为一种常用的接种剂，用于启动或增强废水处理系统，也是一项潜在的接种剂，因为它含有多种微生物，包括真核生物、细菌、古菌和病毒。然而，菌株DWP1和活性污泥对DS处理效果的影响仍不明确。
因此，在本研究中，我们分别在载体增强的DS中使用了菌株DWP1和活性污泥进行生物强化，以评估它们的应用潜力。通过与未添加任何微生物接种剂的对照DS进行为期一年的比较，我们评估了添加微生物接种剂（活性污泥和菌株DWP1）对水环境、浮萍生长、营养物质去除、碳排放和本土微生物群落的影响。我们假设添加菌株DWP1和活性污泥将改善DS在水质净化和碳排放减少方面的性能。
部分摘录
地点和基于浮萍的系统
研究地点位于中国云南省云南大学呈贡校区（24°49.27′ N, 102°51.12′ E）。实验在三个平行的DS中进行，每个系统的尺寸为900 mm × 620 mm × 720 mm（长 × 宽 × 高），表面积为0.56 m2（图S1）。这些系统包括一个添加了活性污泥的（ACDS）、一个添加了菌株DWP1的（DCDS）和一个未添加任何物质的（CDS）。每个池塘的底部都铺有一层沉积物
池塘水环境
在添加前阶段，三个系统之间的平均溶解氧浓度（图S2a）和氧化还原电位（图S2b）没有显著差异。然而，在添加后阶段，DCDS的平均溶解氧浓度（图S2a）和氧化还原电位（图S2b）显著高于ACDS和CDS，且ACDS高于CDS。这表明添加活性污泥和菌株DWP1改善了DS的溶解氧浓度和氧化还原电位。菌株DWP1的表现更为优异
结论
将菌株DWP1和活性污泥添加到载体增强的DS中，提高了池塘水的溶解氧浓度和氧化还原电位，并分别促进了浮萍生长64.95%和41.39%。同时，它们增强了DS中的营养物质回收和污染物去除，并分别减少了DS中的CH4排放68.88%和33.16%。与活性污泥相比，菌株DWP1对微生物多样性、群落组成以及优势菌群的相对丰度影响更为显著
CRediT作者贡献声明
赵永贵：撰写 – 审稿与编辑，撰写 – 原稿，资源管理，概念构思。马瑞东：实验研究。李西西：撰写 – 审稿与编辑。李金全：实验研究。梁天宁：数据可视化。李伟：撰写 – 审稿与编辑。常俊俊：撰写 – 审稿与编辑。段长群：监督，资源管理。
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文的研究结果。
致谢
本研究得到了国家自然科学基金（编号：32360314、32160275）、云南省研发计划（编号：202301AT070214、202405AM340002、202302AO370015）以及云南省院士专家工作站（编号：202405AF140014）的支持。Figdraw为提供图形摘要材料表示感谢。
