阐明镁离子在促进微藻-细菌颗粒污泥形成过程中的作用机制：处理效果、生物量特性以及种间相互作用

微藻-细菌絮体污泥（MBGS）的高效稳定形成受镁离子（Mg2?）调控，补充30 mg/L Mg2?可显著提升生物活性与生物量生产力，使氮磷去除效率分别提高15.18%和10.98%。Mg2?通过促进EPS分泌（尤其是疏水蛋白）和降低表面自由能，增大絮体粒径并增强结构稳定性，同时通过调控微生物群落（如光能自养型微生物富集）和代谢通路（卟啉代谢与光合作用），优化MBGS功能与协同效应，为废水处理系统提供新策略。

　　

王赵赵|李东月|王亚欣|严琳娜|李博江

华北科技大学土木与建筑工程学院，中国唐山 063210

摘要

微藻-细菌颗粒污泥（MBGS）因其高效的污染物去除能力、碳中和的废水处理效果以及环境可持续性而受到越来越多的关注。然而，快速形成具有功能性且稳定的MBGS仍然是一个长期存在的挑战。补充Mg²⁺在解决这一问题上显示出很大的潜力；然而，其背后的机制尚未得到充分理解。研究结果表明，添加Mg²⁺（浓度为15或30 mg/L）可以提高微藻和细菌的生物活性及生物量生产力，从而提升污染物去除效率。在添加30 mg/L Mg²⁺的情况下，氮和磷的最大去除效率分别提高了15.18%和10.98%。此外，Mg²⁺的添加促进了胞外聚合物物质（EPS，尤其是疏水性蛋白质）的分泌，并降低了表面自由能（SFE），使得MBGS的颗粒尺寸增大，结构更加稳定。微生物群落和代谢功能分析显示，Mg²⁺显著上调了关键功能基因（如chlH、CAO、PsaK、PsbA、PetA、PetF、atpF）及相关代谢途径（如卟啉代谢、光合作用），这推动了光养菌（norank_o__Chloroplast, Desmodesmus）的选择性富集。同时，种群结构的改变和种间协同作用的增强提高了与C/N/P代谢及EPS生物合成相关的功能基因的表达，从而使MBGS具有更优的生物功能和稳定的颗粒结构。本研究阐明了Mg²⁺在加速高效稳定MBGS形成中的机制作用，为MBGS系统的开发及可持续运行提供了宝贵的指导。

引言

随着碳中和和碳峰值目标的提出，使用传统活性污泥（CAS）工艺的污水处理厂产生的温室气体（GHG）排放（CO₂、CH₄和N₂O）引起了全球越来越多的关注[1]、[2]。通过调节氧化还原环境（如厌氧、缺氧或好氧条件）来提高污染物去除效率，进一步增加了工艺的复杂性和运营难度[3]。此外，高成本的污泥处理方法不具备环境可持续性[4]。由于微藻-细菌共生系统的能源效率高且环保，相关研究逐渐增多[5]、[6]。与絮状污泥相比，微藻-细菌颗粒污泥（MBGS）因具有更高的微藻保留能力而更受青睐[7]、[8]。在这种共生系统中，光养微生物吸收无机碳和营养物质用于生长和产氧，支持异养细菌进行有机物质降解和营养吸收，并产生二氧化碳[6]、[7]、[8]。MBGS作为一种替代方案，具有更高效的物质交换能力、更优的污染物去除效果以及更好的沉淀性能[7]、[8]。此外，微藻生物量的回收也更加容易，为下游资源回收提供了可行的方法[6]、[8]。

然而，快速形成高效稳定的MBGS仍然是系统建立和运行的实际障碍。在废水处理过程中，MBGS的分解会破坏系统稳定性并降低生物处理效果[9]。研究表明，MBGS可以在自然或人工光照条件下，通过气泡剪切序批反应器（SBR）从CAS或好氧颗粒污泥（AGS）中开发出来[8]、[10]。研究人员向CAS或AGS中接种外源微藻以促进MBGS的形成[11]、[12]，但需要较长的启动期才能获得成熟的MBGS[13]、[14]。此外，由于微藻生长失控和微生物协同作用不足，MBGS的功能性较低，导致生物处理效果不佳。结构松散的MBGS通常会在长期运行中分解，降低工艺稳定性[9]。一般来说，从AGS中开发MBGS比从CAS中更快，因为现有的微生物核可以促进微藻的附着和定殖。一些学者成功应用菌丝颗粒作为核来加速从游离微藻和活性污泥中形成MBGS[12]，但复杂的制备程序和高成本限制了其实际应用。

Mg²⁺对叶绿素合成、微藻生长和生理活动至关重要。补充Mg²⁺可以促进微藻增殖和代谢活动，有助于营养物质吸收并提高生物处理效果。由于Mg²⁺带有正电荷，它们常被用来通过电荷中和和桥接作用促进微生物聚集和颗粒污泥的形成[15]、[16]、[17]、[18]。Mg²⁺与细菌细胞和生物聚合物结合，在胞外聚合物物质（EPS）基质中形成有机-无机复合体及阳离子连接[19]。此外，Mg²⁺对EPS的分泌有显著影响，尽管其对EPS组成的具体贡献仍有争议。Li等人[19]报告称，Mg²⁺主要增强了胞外多糖的分泌，促进了致密紧凑的AGS的形成。相比之下，Liu等人[20]发现Mg²⁺在AGS形成过程中增加了多糖和蛋白质的合成，并提高了颗粒中的微生物多样性，从而提升了污染物去除效率[20]。在微藻-细菌共生系统中，最近的研究表明，Mg²⁺不仅促进了微藻生长和污染物去除效率，还增强了聚集作用，促进了更大的藻-细菌絮体的形成[17]。此外，还证实Mg²⁺能够有效提高微藻生产力并富集功能性微生物群落[21]。

总体而言，这些研究表明Mg²⁺补充在获得高效稳定的MBGS方面具有巨大潜力。然而，很少有研究关注其在形成过程中对MBGS功能性和稳定性的影响，尤其是在处理效果和生物量特性方面。此外，Mg²⁺补充如何调节微生物群落和相互作用仍需进一步阐明。本研究旨在通过Mg²⁺补充来改善MBGS的形成，并探索其背后的机制。研究目标包括：（1）探讨Mg²⁺补充对MBGS生物活性和性能的影响；（2）评估Mg²⁺补充对MBGS物理化学性质和结构稳定性的影响；（3）分析Mg²⁺补充对MBGS微生物动态和种间相互作用的影响。预期这些结果将为快速形成MBGS以及开发稳定的MBGS系统提供新的见解。

实验装置与操作

MBGS的形成在三个有机玻璃圆柱体中进行，这些圆柱体代表光养SBR，有效体积为2.40 L（图S1）（内径：8.00 cm；高度与直径之比为6.00）。向R2（添加15 mg/L）和R3（添加30 mg/L）中加入含有Mg²⁺（MgSO₄）的废水，而R1（不添加Mg²⁺，作为对照组）。外源Mg²⁺的添加量基于预实验的结果确定，以最大化叶绿素a+b浓度（图S2）。每个反应器的外部都持续受到光照

生物量变化与微生物活性

MLSS浓度、MLVSS浓度、微生物活性及污染物去除情况如图1所示。R1、R2和R3中的MLSS浓度、MLVSS浓度以及叶绿素a+b/MLVSS浓度均呈现先增加后稳定的趋势（图1(a)）。R2和R3中的MLSS浓度分别为3.54 g/L、3.12 g/L、7.97 mg/g和4.02 g/L、3.55 g/L、9.04 mg/g，显著高于对照组

结论

本研究阐明了Mg²⁺在促进MBGS形成过程中的机制作用，尤其是在其功能性和稳定性方面。添加30 mg/L的Mg²⁺显著提高了微藻和细菌的生物活性及生物量生产力（267.80 mg/(L·d)，进而使氮和磷的去除效率分别提高了15.18%和10.98%。此外，Mg²⁺还增加了MBGS的颗粒尺寸，并通过模拟EPS的作用增强了颗粒稳定性

CRediT作者贡献声明

李博江：方法学研究。严琳娜：撰写、审稿与编辑、监督、数据管理。王亚欣：方法学研究。李东月：撰写、审稿与编辑、验证、数据分析。王赵赵：初稿撰写、数据可视化、监督、方法学设计、资金申请、概念构思。

利益冲突声明

作者声明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

本研究得到了河北省自然科学基金（E2025209010）和华北科技大学科研基金的支持。