《Bioresource Technology》：Unveiling the mechanisms of mechanical stirring for enhanced performance and stability of algal-bacterial flocs treating low C/N synthetic wastewater
编辑推荐：
藻菌共生絮体（ABF）机械搅拌与曝气工艺对比研究表明，搅拌系统显著增强微藻-细菌共生互作，使生物量达3.5 g/L，总氮去除率83.2%，COD去除率89.7%，且EPS含量（222.3 mg/g）提升促进絮体稳定性。分子机制显示搅拌激活TCA循环和氮代谢通路，丰度提升的Thauera、Rubrivivax等菌属及EPS合成基因（如galU）共同驱动高效脱氮与碳源循环。研究为低C/N废水处理中ABF工艺优化提供理论依据。
顾俊杰|毛斌迪|窦晓晓|张斌鑫|徐家伟|傅春婉|兰邦杰|张新杰|徐哲|高峰
浙江海洋大学石油化工与环境工程学院，中国舟山316000
摘要
藻菌共生系统（ABS）是一种环境可持续的废水处理技术，具有显著的应用潜力，尽管实现稳定高效运行仍是一个关键的研究挑战。这项为期180天的比较研究系统地探讨了在低C/N比废水中培养的机械搅拌和曝气藻菌共生絮体（ABF）之间的性能差异及其潜在机制。结果表明，机械搅拌增强了微藻与细菌之间的共生作用，从而显著提高了各项性能指标：生物量浓度（3.5克/升）、溶解氧水平（10.3毫克/升）、脂质含量（58.4%）和脂质产率（9.3毫克/升/天），同时沉淀特性也得到改善，表现为污泥体积指数降低（80.7毫升/克）。在第四阶段，搅拌处理的ABF表现出优异的污染物去除效率，氨氮去除率为98.2%，总氮去除率为83.2%，化学需氧量去除率为89.7%。细胞外聚合物物质（EPS）分析显示，在搅拌条件下EPS的分泌量增加（222.3毫克/克），其中紧密结合型EPS（TB-EPS）占主导地位，显著增强了絮体的结构稳定性。宏基因组分析表明，搅拌促进了Thauera和Rubrivivax等功能菌属的富集，增强了反硝化和有机物的降解能力，并激活了TCA循环和氮代谢等关键途径，上调了与EPS合成相关的基因（如galU）的表达，揭示了高效去除营养物质和维持絮体稳定性的分子机制。本研究提出了一种在低C/N比废水处理中建立高性能ABS的优化策略，兼顾了环境可持续性和经济可行性。
引言
藻菌共生系统（ABS）作为一种环境可持续且经济可行的废水处理方法，已获得越来越多的认可（Zhang等人，2024年；Wang等人，2023年）。这些复杂的生态系统由具有不同代谢途径和营养需求的微藻和细菌组成，具有多重优势，包括高效的营养物质去除（尤其是氮和磷）、较低的运行能耗（通常无需外部碳源）、较强的环境压力抗性（如盐度波动和抗生素暴露），以及丰富的生物质回收潜力（Ilmasari等人，2023年；Zhang等人，2024年）。
在传统的处理系统中（如氧化池），ABS生物体之间的关联较为松散，协同作用有限。虽然这种配置导致处理效率较低，但微藻和细菌种群之间的干扰较少，从而提高了系统的稳定性。相反，为高效废水处理和资源回收设计的现代ABS系统具有更紧密的微生物物理和功能整合。这种增强的相互作用显著提升了系统性能，但也增加了共生失衡的风险（Li等人，2023a；Ramanan等人，2016年）。因此，ABS优化的一个基本挑战是在确保长期运行稳定性的同时，实现强大的协同效应。
基于自由漂浮的藻菌共生体，研究人员开发了多种高效的废水处理和资源回收方案，主要包括藻菌共生生物膜（ABB）、颗粒污泥（ABGS）和絮体（ABF）（Wang等人，2022年）。这些集成结构通过富集活性污泥或特定细菌，实现了更紧密的微藻-细菌耦合（Pham等人，2025年；Zhao等人，2024年），显著提高了营养物质去除效率、有价值的生物质产量和回收效率（Hu等人，2023年；Huang等人，2022年）。ABB和ABGS具有分层结构，藻类位于外层并通过光合作用提供氧气（Wang等人，2022年；Liu等人，2024年）。ABF通过细胞外聚合物物质（EPS）介导的自聚集形成，其中微藻占主导地位，提高了脂质产量，使其特别适合资源导向的废水处理（Pekkoh等人，2022年）。
曝气和机械搅拌是培养生物絮体（如ABF）的两种常用混合策略。尽管现有研究成功建立了用于协同废水处理和资源回收的ABF系统，但大多数培养过程主要采用曝气混合方式，同时为微藻光合作用提供CO2（Pekkoh等人，2022年；Wang等人，2022年）。然而，这些研究的培养周期通常较短（约10天），不足以评估ABF的长期稳定性。这种限制源于曝气系统的本质特征：细菌有氧代谢所需的O2和微藻生长所需的CO2均通过空气流动外部供应。这种人工补充抑制了微生物之间的相互依赖性，可能导致微藻或细菌的过度生长，最终影响系统的长期稳定性（Li等人，2023a；Ramanan等人，2016年）。
相比之下，关于使用搅拌条件培养ABF的研究较少，仅有有限的尝试在搅拌环境下建立ABF系统（He等人，2018年；Nguyen等人，2024年）。从共生角度来看，搅拌可能在ABF的形成和稳定性方面优于曝气。在非曝气的搅拌环境中，细菌代谢所需的氧气主要来自微藻光合作用，而微藻所需的CO2则主要来自细菌呼吸作用。这种自然建立的相互依赖性具有显著提升系统稳定性的潜力。
本研究假设与曝气相比，搅拌能够促进更稳定的ABF系统用于废水处理。为了验证这一假设，本研究建立了同时进行曝气和搅拌的ABF系统，并将其与传统活性污泥工艺进行了比较。评估重点关注两个方面：污染物去除效率（特别是氮、磷和COD）和絮体稳定性。通过全面分析沉淀特性、关键生理指标、EPS含量和组成以及微生物群落结构和功能动态，阐明了搅拌与曝气效果的区别。此外，本研究进行了为期180天的连续运行实验，以评估ABF处理废水的性能，具体考察了自絮凝沉淀特性、长期运行稳定性和实际可行性。该研究为在低C/N比废水处理中应用搅拌ABF系统提供了理论基础和实践依据，同时阐明了相关的基本机制。
实验部分
实验室规模反应器
用于ABF培养的光生物反应器采用1升试剂瓶构建（详见补充材料）。设置了四个实验组：曝气活性污泥（AS?+?a）、搅拌活性污泥（AS?+?s）、曝气藻菌共生体（AB?+?a）和搅拌藻菌共生体（AB?+?s）（详见补充材料）。
对于AS?+?a和AB?+?a组，在反应器底部安装了曝气装置，连接到玻璃转子流量计和空气泵
通过搅拌在废水处理系统中增强ABF的形成和生物资源回收
图1A显示了整个培养期间AB?+?s和AB?+?a反应器出水中悬浮固体（SS）浓度的变化情况，所有反应器都表现出SS浓度的快速初始下降趋势。值得注意的是，这种SS变化趋势与出水中色素浓度（图1B）高度一致，表明未沉淀的微藻是出水中SS的主要成分。
结论
本研究表明，在碳氮比较低的废水处理中（COD/TN?=?3.9），与传统的曝气方法相比，机械搅拌促进了微藻和细菌之间更紧密的共生关系（藻菌絮体，ABF）。由于微生物的协同作用，ABF不仅提供了高效、长期的稳定废水处理，还产生了更高的生物资源产量（生物量和脂质）。ABF分泌更多的细胞外聚合物物质（EPS）
作者贡献声明
顾俊杰：撰写——初稿，研究。毛斌迪：撰写——初稿，研究。窦晓晓：研究。张斌鑫：研究。徐家伟：研究。傅春婉：研究。兰邦杰：研究。张新杰：研究。徐哲：研究。高峰：撰写——审稿与编辑，研究，资金获取，概念构思。
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所述的工作。
