《Science of The Total Environment》：Temperature-driven dynamics in prokaryotic and eukaryotic communities of an aerobic granular sludge lab-scale reactor
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本研究对比了20℃和30℃条件下生物颗粒污泥（AGS）处理合成污水及粪便污泥的性能，发现高温下COD去除更快但处理效果相当，真核生物群落如阿美巴促进颗粒凝聚，硅藻门菌在高温下更稳定，揭示了温度对微生物群落及处理稳定性的影响。
Mary Luz Barrios-Hernandez|Thomas Solomon|Fabian Orias-Obando|Bradd Mendoza-Guido|Christine M. Hooijmans
环境工程与水技术系，IHE-代尔夫特水教育学院，邮政信箱3015，2601，DA，代尔夫特，荷兰
摘要
来自现场卫生系统的粪便污泥通常在经过极少预处理的情况下直接进入中央废水处理系统，这给运营带来了挑战。好氧颗粒污泥（AGS）为生活污水和粪便污泥的联合处理提供了有前景的解决方案，但其在该温度下的性能尚未得到充分研究。本研究评估了两种实验室规模序贯批处理反应器（2.9升）在20°C（AGS_20）和30°C（AGS_30）条件下处理含有4%体积比合成粪便污泥的合成城市污水时的微生物演替和过程稳定性。在30°C时，化学需氧量（COD）的去除速率更快，但两种系统在有机物、氮和磷的去除方面表现相当。由于聚磷酸盐积累菌（PAO）的富集，磷的去除效果始终较高，而氮的去除途径更多地依赖于运行稳定性而非温度。原核生物群落趋向于特定分类单元，其中Candidatus Competibacter在所有样本中占主导地位，而Accumulibacter和Dechloromonas在AGS_20中更为丰富。相比之下，AGS_30中的稳定群落较少，Kouleothrix和Aeromonas偶尔占优势。真核生物组合起到了生态驱动作用：在20°C时变形虫促进了颗粒的压实，而在30°C时纤毛虫调节了生物量。在较高温度下，真菌的富集进一步促进了有机物的降解以及跨界界的相互作用。AGS联合体表现出较强的适应性，在粪便污泥联合处理过程中能够持续去除营养物质，同时细菌和真核生物群落共同增强了系统的稳定性。
引言
在许多地区，粪便污泥通过现场卫生系统进行管理，例如化粪池和坑式厕所（Orner和Mihelcic，2018）。化粪池系统依靠沉淀和厌氧消化，在几个月到几年后需要清空。这些污泥可能会被排放到中央废水处理厂（WWTPs），尤其是在从现场卫生系统向污水管道系统过渡的过程中（Richards等人，2016）。这对WWTPs来说是一个重大挑战，因为它们通常不是为处理来自现场卫生系统的高浓度粪便污泥而设计的（Strande和Brdjanovic，2014）。
由于其紧凑的生物质结构、高生物质保留能力和对水力及有机冲击负荷的适应性，AGS技术在生活污水和粪便污泥的联合处理方面显示出巨大潜力（Barrios-Hernández等人，2020）。然而，迄今为止大多数AGS研究都是在低温至中等温度（例如15–25°C）下进行的，并主要关注反应器性能和细菌群落动态（De Kreuk等人，2005a；Ekholm等人，2024）。因此，关于AGS在热带和亚热带地区典型的高温下的稳定性、微生物生态学和营养物质去除性能，仍有许多重要问题尚未解决。
温度是生物废水处理过程的关键环境因素，因为它直接影响微生物生长速率、酶活性和群落组成。高温可以通过刺激氨氧化细菌来增强铵的氧化（Farghali等人，2024），但也可能影响负责生物磷去除的聚磷酸盐积累菌（PAOs）的丰度和活性（Erdal等人，2003；Lopez-Vazquez等人，2009）。除了原核生物外，温度波动还会显著影响真核生物群落，包括原生动物和真菌，这些生物参与营养相互作用、生物量周转和胞外聚合物（EPS）的修饰；这些过程与颗粒的形成、稳定性和沉降性密切相关（Asseng等人，2021）。
尽管人们对这些作用的认识日益增加，但在AGS研究中真核生物仍被忽视，它们在不同温度条件下的与细菌群体的相互作用仍知之甚少。将真核生物群落分析与原核生物分析相结合，有助于超越分类描述，更深入地理解跨界相互作用如何影响颗粒完整性、反应器稳定性和过程性能（de Celis等人，2024；Xia等人，2018）。
因此，本研究探讨了温度（20°C和30°C）对处理性能以及处理含粪便污泥的合成生活污水的实验室规模AGS反应器中原核和真核生物群落动态的影响。通过将反应器性能数据与基于16S和18S rRNA的群落分析相结合，本研究旨在阐明温度驱动的生态变化，并识别与粪便污泥联合处理下稳定AGS运行相关的微生物特征。
方法论
两个实验室规模的序贯批处理反应器（SBRs）在受控条件下长期在20°C和30°C下运行，分别称为AGS_20和AGS_30。两个反应器均加入含有4%体积比合成粪便污泥和合成城市污水的进水。最初，它们接种了来自荷兰乌得勒支一个全规模废水处理厂的400毫升压碎颗粒。两个反应器的固体停留时间（SRT）均维持在14天
反应器性能
在AGS_20反应器中，加入粪便污泥和合成污水后，总COD浓度平均为860 mg L?1，可溶性COD浓度为564 mg L?1。图1.A显示了AGS_20运行过程中进水和出水中的可溶性COD浓度。可溶性COD的去除效率在最初的20天内从37%提高到65%，随后稳定在75%。此外，在运行第92分钟进行厌氧喂养后也测量了COD的吸收情况
讨论
在20°C和30°C下运行的AGS生物反应器的比较性能突显了温度对营养物质去除效率和微生物群落动态的影响。研究的一个关键方面是将AGS_30重新接种来自AGS_20的颗粒，这对稳定颗粒结构和提高第二阶段的营养物质去除效果起到了关键作用。这些发现表明，AGS_20和AGS_30之间的差异不仅反映了温度的影响
结论
本研究表明，AGS系统在20°C和30°C下联合处理合成生活污水和富含颗粒的粪便污泥时，能够稳定去除有机物、氮和磷。温度主要影响了转化动力学和启动稳定性：在30°C下，厌氧底物的吸收速率更快，氨氧化速率也更高；然而，长期处理性能在两个反应器中趋于一致。
用成熟的颗粒进行重新接种有效
作者贡献声明
Mary Luz Barrios-Hernandez：撰写——初稿、项目管理、方法论、研究、资金获取、数据分析、概念化。Thomas Solomon：撰写——审阅与编辑、资源协调、方法论、研究。Fabian Orias-Obando：撰写——审阅与编辑、可视化、软件使用、数据管理。Bradd Mendoza-Guido：撰写——审阅与编辑、可视化、软件使用、数据管理。Christine M. Hooijmans：撰写——审阅与编辑
写作过程中生成式AI和AI辅助技术的声明
在准备本工作时，作者使用了ChatGPT（Chat On）来提高文本的清晰度和连贯性，并生成和优化支持手稿内容的插图。该工具仅用于提升语言质量和视觉呈现。
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利益冲突声明
作者声明他们没有已知的财务利益冲突或个人关系可能影响本文的研究结果。
致谢
M.L.感谢哥斯达黎加技术学院提供的奖学金（资助编号：007-2014-M），使她能够在荷兰IHE Delft攻读博士学位（2016–2021年）。作者还感谢哥斯达黎加国家高级技术中心的国家级先进计算实验室和哥斯达黎加大学的高性能计算中心提供的超级计算资源，用于生物信息学分析。
