蓝细菌驱动的形态变化与适应性微生物演替：在三方压力作用下的藻-菌颗粒污泥中的抗逆机制

《Bioresource Technology》：Cyanobacteria-driven morphology and adaptive microbial succession: Resilience mechanisms in algal-bacterial granular sludge under tripartite stress

ABGS通过EPS重构和微生物群落适应性实现低温、碳限制及抗生素压力下的稳定运行，维持高COD（>90%）和NH4+-N（>97%）去除率，并抑制ARGs扩散。

　　

沈清月|熊久强|王倩|杨立强|沈中华|雷中芳|茹少国

中国海洋大学海洋生命科学学院，中国山东省青岛市玉山路5号

摘要

藻菌颗粒污泥（ABGS）是一种有前景的废水处理技术，但其实际应用受到其在现实多应力条件下稳定性未知的限制。本研究证明，ABGS能够通过整合形态、微生物和代谢适应机制，承受低温（< 15°C）、碳匮乏和磺胺甲噁唑（SMX）暴露（0–100-1000 μg/L）的共同影响。宏基因组学分析揭示了代谢上的权衡：能量密集型途径（如氧化磷酸化和TCA循环）下调，而生物合成和应激响应途径（如乙醛酸旁路和氨基糖代谢）上调，使碳重新定向用于细胞外聚合物物质（EPS）的生产。这种适应性通过蓝细菌的保护性表面屏障和重新配置的富含蛋白质的EPS来促进SMX的隔离。微生物群落的重组增强了系统的功能韧性，例如从Nitrospira转变为Candidatus Nitrotoga，从而维持了稳定的硝化作用。这种协调的适应不仅实现了高达90%的COD和97%的NH₄⁺-N去除，还在100 μg/L SMX压力下抑制了抗生素抗性基因（ARGs）的传播。这些发现表明ABGS是一种能够主动调节微生物群落组装和代谢网络以去除营养物质并减缓ARGs传播的自我工程生态系统。

引言

藻菌颗粒污泥（ABGS）工艺代表了一种创新的废水处理方法，利用藻类和异养细菌的共生关系提高营养物质去除率和资源回收率（Ji等人，2020；Liu等人，2022；Tang等人，2025；Zhang等人，2018）。然而，目前对ABGS的理解主要基于理想化操作条件下的研究，对其在现实废水复杂环境中的稳定性和性能仍存在关键空白（Chen等人，2026）。实际规模的污水处理厂（WWTPs）经常面临多种同时存在的应力因素。季节性低温（< 15°C）会抑制微生物代谢，降低酶活性和硝化作用（Rockt?schel等人，2015；Wang等人，2022）。市政废水中有限的碳资源和不平衡的C/N比限制了反硝化所需的电子供体，加剧了聚磷酸盐积累生物（PAOs）与异养细菌之间的碳竞争，从而影响氮和磷的去除（Tang等人，2025）。即使是像好氧颗粒污泥（AGS）这样稳定的系统，在这种条件下也容易出现功能故障、结构崩溃和生物量流失（De Kreuk等人，2005；Wang等人，2022）。ABGS通过藻类和细菌的共生关系具有潜在优势：光合产生的O₂支持好氧过程，而微生物的共生作用有助于缓解碳限制（Tang等人，2025）。然而，在非最佳条件下，光合和异养代谢的效率可能会下降，这引发了关于ABGS长期稳定性和代谢耦合的担忧。

废水中抗生素的普遍存在进一步加剧了这些运营挑战，形成了三重应力环境（低温、碳匮乏和抗生素暴露），其协同效应尚未得到充分研究。磺胺甲噁唑（SMX）是一种在WWTPs中频繁检测到的磺胺类抗生素，会对微生物群落产生选择压力，并促进抗生素抗性基因（ARGs）的传播（Oberoi等人，2019）。尽管许多颗粒污泥系统已经研究了抗生素的生物降解，但ABGS在低温和碳匮乏双重应力下的适应能力和微生物相互作用仍不清楚。这种忽视是关键的，因为低温和碳匮乏可能会破坏藻菌之间的关键互惠关系，增加系统的脆弱性（Tang等人，2025）。此外，SMX会选择性攻击硝化和反硝化细菌，而这些细菌在低温/碳限制条件下已经处于虚弱状态，可能阻碍代谢恢复并加剧ARGs的传播（Wang等人，2022；Zhang等人，2023）。因此，明确这三种同时存在的应力的协同效应对于准确预测ABGS在现实条件下的行为和性能至关重要。

研究这些机制是建立稳定ABGS系统在实际应用中的关键步骤。细胞外聚合物物质（EPS）构成了颗粒污泥的结构基础，有助于粘附、营养物质保留和抵御有毒物质（Zhao等人，2023）。先前的研究表明，与絮状污泥相比，颗粒污泥具有更密集的结构和EPS基质，具有更强的抗生素抗性（Xu等人，2024），其中某些成分（如蛋白质）可以结合SMX并减轻其毒性（Fan等人，2021）。然而，ABGS系统在面对复合应力（低温、碳匮乏和抗生素）时EPS的重组机制及其与微生物组结构和代谢途径变化的联系仍不清楚。微生物群落组成和代谢多样性是系统适应的基础。例如，在低浓度磺胺嘧啶（10 μg/L）下，核心硝化微生物群的富集增强了颗粒密度和氮去除率，而在高浓度（1000 μg/L）下则降低了系统性能（Wang等人，2022）。这突显了揭示耐应力类群（尤其是硝化微生物群和具有韧性的藻类伙伴）在多应力条件下维持ABGS功能的重要性的必要性。

为填补这些知识空白，本研究系统地研究了ABGS在三种应力条件（温度< 15°C、COD = 200 mg/L、SMX: 0–100-1000 μg/L）下的稳定性和适应性。具体目标包括：（i）通过污染物去除动力学和性质量化稳定性阈值；（ii）阐明EPS介导的保护机制和应力诱导的基质重组；（iii）通过宏基因组学重建微生物适应网络，揭示分类学、功能基因和代谢途径的变化。

实验部分

成熟ABGS的培养

成熟ABGS最初在光序列化批次反应器（PSBR，直径7厘米，高度60厘米）中培养，使用活性污泥作为接种物，遵循Zhang等人（2018）的方法。合成进水主要含有400 mg/L的COD（醋酸钠）、40 mg/L的NH₄⁺-N（NH₄Cl）和5 mg/L的总磷（TP）（KH₂PO₄）。反应器以6小时周期运行（3分钟填充、60分钟非曝气、288分钟曝气、3分钟沉淀、3分钟倾倒、3分钟闲置），体积比为50%

碳降解和磷去除

在整个测试期间，即使在长期低温和抗生素压力条件下，出水COD浓度也保持在≤20 mg/L，去除率超过90%（图1a-b）。相比之下，在低C/N比条件下，TP去除率显著波动，在20天内从>60%降至<30%（图1d），这是由于PAO代谢受损（图S2显示无厌氧磷释放）。这种受损可能是由于碳匮乏造成的

结论

ABGS系统通过代谢重编程和微生物适应表现出对复合应力的多层次韧性。丝状蓝细菌（如Oscillatoriaceae）在颗粒表面定殖，形成保护性屏障，减少抗生素渗透并保护内部的功能性细菌。ABGS通过乙醛酸旁路将碳导向EPS的生物合成，虽然牺牲了能量产出，但增强了抗生素的隔离和氧化应激的缓解

CRediT作者贡献声明

沈清月：撰写——初稿、方法学、研究、数据分析、概念化。熊久强：撰写——审稿与编辑、资金获取、数据分析。王倩：撰写——审稿与编辑、方法学、研究、数据分析。杨立强：方法学、研究。沈中华：研究、数据分析。雷中芳：方法学、研究、数据分析。茹少国：撰写——审稿与编辑、监督、资源提供

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。

致谢

本研究得到了国家自然科学基金（编号52470201）、山东省自然科学基金（编号ZR2023QE085）和青岛市博士后科学基金（编号862205040022）的支持。我们还要感谢山东省冶金地质局和山东正源环保科技有限公司提供的财务支持（编号SDYJ-KY202501）。