《Environmental Research》：Unraveling the microbial and functional mechanisms driving rapid algal-bacterial granular sludge formation in mariculture wastewater
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藻菌絮体（ABGS）在处理高盐度水产养殖废水中展现出快速絮凝（20天）和高效污染去除能力。实验表明，ABGS较传统藻菌絮体结构更稳定，平均粒径达1.07mm，COD和TIN去除率分别超过99%和66%，且分泌更多胞外多糖。宏基因组分析揭示Thauera、Fragilaria和Nitzschia为优势菌群，其氮代谢（nxrA、nasA、nasD）及多糖代谢基因丰度显著提升，支撑了ABGS的高效运行。
吴炳泽|张妮|杨国静|于楠|谢周云|夏静芬|罗伟楠|刘旭然|王东波|张毅|唐莉
浙江万里大学生物与环境科学学院，中国宁波315100
摘要
藻菌颗粒污泥（ABGS）在海水养殖废水处理中具有独特的优势和广泛的应用前景。然而，高盐应力下ABGS的快速颗粒化过程及其性能演变尚未得到明确解释。与传统的活性污泥（AGS）相比，在相同盐度梯度下，藻类干预对颗粒结构完整性和代谢活性的影响也尚不清楚。因此，本研究建立了一个平行运行的ABGS和AGS系统。结果表明，交织的藻类丝状体为颗粒形成提供了结构支撑，并在20天内实现了ABGS的完全颗粒化。与传统AGS相比，高盐条件下形成的ABGS具有更大的平均粒径（1.07毫米）、更高的生物量（7.59克/升）和更高的胞外聚合物（EPS）分泌量（258.56毫克/克VSS）。此外，化学需氧量（COD）和总无机氮（TIN）的去除效率分别超过了99%和66%。宏基因组分析显示，Thauera、Fragilaria和Nitzschia是与颗粒形成和稳定相关的优势菌类。ABGS还表现出与氮代谢（nxrA、nasA和nasD）和多糖代谢（glmM、glmU和pmm-pgm）相关的功能基因富集，这与其增强的氮去除和颗粒化能力一致。三羧酸循环基因的富集进一步表明了ABGS的优越颗粒化性能。总体而言，本研究阐明了海水养殖废水中ABGS快速形成的形态演变和微生物功能机制，为该技术的工程优化和应用提供了宝贵见解。
引言
海水养殖业的快速发展产生了大量养殖废水。这种废水的环境盐度通常在1%到3%之间，其主要成分是悬浮固体、溶解有机碳以及来自剩余饲料和动物排泄物的氮化合物（Li等人，2023a；Sun等人，2022）。如果直接排放，会引发富营养化和生态破坏（Nie等人，2020）。因此，有效去除养殖废水中的污染物已成为水产养殖业可持续发展的紧迫挑战。
利用创新的好氧生物方法——即好氧颗粒污泥（AGS）技术，已对盐水废水处理进行了广泛研究（Liu等人，2025）。AGS具有致密的结构和优异的沉淀性能，能在1%到2%的盐度范围内保持稳定的氮去除效率（He等人，2020）。然而，当盐度达到2%时，AGS的疏水性、密度和机械强度开始下降（Li等人，2020）。这表明AGS在处理低盐度废水方面更有效，但在处理高盐度废水时的稳定性值得怀疑。此外，由于CO2排放和能耗较高，AGS的大规模应用受到限制（Ji等人，2020）。因此，迫切需要一种高效、环保的生物处理技术来处理养殖废水。
藻菌颗粒污泥（ABGS）在海水养殖废水处理中显示出广阔的应用前景，尤其是在低C/N条件下解决氮去除难题方面（Liu等人，2023b）。与传统AGS相比，ABGS结合了光合生物和细菌，实现了碳氮固定的协同作用，减少了对外部碳源的需求（Wang等人，2025b）。其独特的层状结构支持多种氮代谢途径，包括N/DN转化、厌氧铵氧化（anammox）和藻类同化（Lyu等人，2025）。研究表明，即使在3%的盐度条件下，ABGS也能保持良好的沉淀性能；在高盐度（1-4%）废水中，其营养物去除效率也高于AGS（Dong等人，2021；Meng等人，2020；Zhang等人，2025）。值得注意的是，微藻作为生物骨架的提供者和高价值EPS的分泌源，在增强颗粒结构稳定性方面起着关键作用（Liu等人，2025）。
尽管ABGS在高盐度养殖废水处理中显示出巨大潜力，但其快速颗粒化仍是实施该技术的主要瓶颈之一（Sun等人，2022；Wang等人，2024b）。通常认为盐度应力会抑制微生物的聚集和颗粒化过程，因为高盐度会导致细胞脱水和酶活性降低（Lu等人，2021；Sun等人，2022；Xia等人，2025a）。然而，一些研究表明，盐度可以作为环境选择压力，刺激胞外聚合物（EPS）的产生，促进AGS的颗粒化（Li等人，2020；Pereira等人，2024）。这些矛盾的原因可能与盐的引入方式有关——是作为脉冲式输入（恒定进水盐度）还是逐渐增加。最新研究表明，与逐步适应相比，一步法（直接将污泥暴露于目标盐度，如超过1%）可以施加更强的环境筛选压力，从而促使微生物快速分泌功能性EPS，并筛选出具有强抗盐性的细菌群落（Yue等人，2023）。例如，Yue等人（2023）采用一步培养策略，在极端盐度（9%）下成功实现了AGS的颗粒化。此外，Wang等人（2025）发现，一步驯化到1%盐度的去除率优于逐步驯化到1%的去除率。然而，在高盐度养殖废水条件下快速建立结构稳定的ABGS仍需进一步研究。如果ABGS能够在高盐度环境中直接形成和处理，将是对AGS技术实际应用的重大进展。
为了解决这些问题，本研究设置了两个平行运行的ABGS和AGS反应器，将小球藻接种到传统活性污泥系统中以构建ABGS，并深入研究了ABGS和AGS在海水养殖废水中的颗粒化过程。比较了两者在颗粒形态、物理化学性质、净化性能和EPS分泌方面的差异。同时分析了海水盐度应力下藻类和细菌的生物活性、微生物群落多样性和代谢途径的变化，以阐明外源微藻对ABGS颗粒化过程的影响。实现ABGS在海水养殖废水中的快速颗粒化和稳定运行将为高盐度废水处理提供高效、可持续的解决方案，并促进ABGS技术的进一步发展和应用。
反应器设置和操作策略
本研究使用了两个匹配的实验室规模光序批式反应器（PSBR）和序批式活性污泥反应器（SBR）来培养ABGS和AGS。反应器直径为15厘米，高度为85厘米，有效体积为13升。反应器配有上部进水口、中部出水口和底部曝气系统，交换率设置在50%到60%之间。R1在0勒克斯的光照条件下进行遮光处理；R2则模拟自然光照条件，使用LED光源。
盐度应力下AGS/ABGS的生长特性
图S1展示了ABGS和AGS在各阶段的形态变化。在整个颗粒污泥形成过程中，两个反应器都产生了成熟的污泥，其中R2的颗粒化速率更快。在PSBR中接种小球藻后，20天内成功获得了ABGS。在第二阶段，菌丝体覆盖并缠绕在污泥表面；从第三阶段开始，藻细胞紧密包裹在颗粒内部，表明小球藻对此过程起到了关键作用。
结论
ABGS系统通过利用藻菌协同作用和补偿性代谢机制，在海水养殖废水条件下实现了显著提升的氮去除效果。在3%的高盐度下，ABGS的性能优于传统AGS，COD去除效率超过99%，氨去除效率达到94%，总无机氮去除效率达到66%。此外，短程硝化-反硝化过程成为提高氮去除效率的可行替代途径。
作者贡献声明
罗伟楠：研究、数据分析。刘旭然：撰写、审稿与编辑。谢周云：方法学设计、数据分析。夏静芬：方法学设计、数据分析。杨国静：撰写、审稿与编辑、监督、资源管理、项目协调、资金申请。于楠：撰写、审稿与编辑、方法学设计、数据分析。张妮：初稿撰写、方法学设计、数据分析。唐莉：撰写、审稿与编辑、验证。
未引用参考文献
Chen等人，2024a；Cui等人，2022；Jia等人，2025；Li等人，2024；Li等人，2023b；Liu等人，2023a；Liu等人，2024c；Pereira Almeida等人，2024；Zhang等人，2024。
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的可能影响本文研究的财务利益或个人关系。
致谢
本工作得到了国家自然科学基金（42477450）、中国宁波市科技计划项目（2022Z059、2023J044和2024J149）以及浙江省生物工程重点学科（KF2019002）的支持。
