原标题：重庆大学时文歆教授团队最新研讨进展:使用菌丝球裹藻凝聚核强化菌-藻共生颗粒污泥的快速培育及其机制研讨

  近来，重庆大学环境与生态学院时文歆教授团队在环境范畴闻名学术期刊Water Research上宣布了题为“A novel strategy for rapid development of a self-sustaining symbiotic algal-bacterial granular sludge: Applying algal-mycelial pellets as nuclei”的论文。文中使用菌丝球絮凝（包裹）微藻构成菌丝球裹藻凝聚核，立异性地提出将其作为晶核快速培育自保持菌藻共生好氧颗粒污泥的新战略，深化探求了菌丝球裹藻凝聚核强化自保持菌藻共生好氧颗粒污泥体系快速构建的效果机理。选用该战略后，菌藻共生好氧颗粒污泥在12天内可完成彻底颗粒化，且具有粒径大、颗粒结构细密、沉降功能好、生物活性高、污染物降解才干强等优势特征。本研讨为强化非曝气条件下菌-藻共生颗粒污泥的快速培育和体系安稳性供给了一种经济可行的新办法。

  很多的研讨效果标明，与好氧颗粒污泥（Aerobic granular sludge，AGS）比较，菌-藻共生好氧颗粒污泥（Algal-bacterial aerobic granular sludge, ABGS）具有愈加细密的颗粒结构，更好的沉降功能，更高效的除污染效能，以及杰出的抗冲击负荷才干和结构安稳性。但是，ABGS体系依然存在发动时刻长、能耗高、藻类生物量易丢失以及长时刻运转易失稳等问题。研讨发现，在ABGS构成的初始阶段，藻细胞彼此结合构成的细小聚会体可作为微生物粘附的中心，这种共同的结构有利于保持ABGS结构的安稳性，因而，使用藻类初始凝聚核可能为加快污泥颗粒化进程供给一种新思路。但是，藻细胞尺度小、沉降功能差、成长速度慢、静电斥力强等特性，使其难以经过自集合构成初始中心。因而，怎么完成藻细胞快速絮凝成核是一个要害问题。

  本研讨拟根据ABGS的天然构成规则施行人工强化，使用丝状菌絮凝（包裹）微藻，立异性地提出使用菌丝球裹藻凝聚核定向诱导ABGS构成的新办法，深化探求菌丝球裹藻凝聚核强化ABGS体系快速构建的效果机理，首要研讨内容包含：（1）对mycelial pellets（MPs）、algal-mycelial pellets（AMPs）构成的要害参数进行优化，（2）探求ABGS的颗粒化进程和体系内物质转化机制，（3）调查ABGS的微观形状特征、胞外聚合物组成和群落结构的动态改变，（4）根据扩展的Derjaguin-Landau-Verwey-Overbeek（XDLVO）理论剖析颗粒污泥中细胞外表彼此效果能和污泥集合才干，以及（5）阐释菌丝球裹藻凝聚核强化ABGS快速构成的效果机制。研讨效果为ABGS的定向诱导、快速构成和结构安稳性调控供给新的办法和思路，为ABGS技能的工程使用供给有力的理论辅导和技能支撑。

  图1：MPs的成长曲线（a）；接种孢子密度（b）、pH（b）、转速（d）、温度（e）对MPs构成的影响；选用共培育法（f）和吸附法（g）时吸光度随时刻的改变；MPs培育时刻（h）、藻细胞投加量（i）和MPs投加量（j）对AMPs构成的影响；MPs（k）和AMPs（l）的微观描摹调查。

  在开始72 h内MPs的生物量急剧添加，随后进入安稳时（图1a）。图1b-e标明，MPs的最佳培育条件为：孢子浓度为6.3×10 6 CFU/mL、pH为6.0、转速为150 rpm、温度为30 ℃。对制备AMPs的办法进行了比较剖析（图1f，g，l），得出吸附法为AMPs的最佳制备办法。经过调查MPs培育时刻、MPs投加量和藻细胞投加量对絮凝效果的影响，进一步优化了AMPs的制备条件。当投加培育时长为3 d的MPs、藻液投加量为50 mL、MPs投加量为12 g（湿重）时，藻细胞的絮凝功率到达最大值（~99.0%）（图1h-j）。

  在最优条件下制备的MPs其间心结构紧凑、边际松懈、尺度均匀（图1k）。MPs与AMPs除了色彩不同，形状上无显着差异（图1l）。SEM和TEM图画显现（图1l），小球藻严密附着在菌丝上，首要散布在AMPs的外层。此外，长而细密的菌丝在AMPs内彼此环绕，使得AMPs外表构成了必定的通道和孔隙，这种多孔结构有利于氧气和营养物质传质。

  活性污泥接种后，R1-R3中初始MLSS浓度约为3.6 g/L，R2和R3中别离投加0.1 g/L（干重）的MPs和AMPs（MPs/AMPs与AS的干重比为2.5%）。由图2可知，第12地利R3中污泥的均匀粒径已超越300 μm，SVI 30 /SVI 5比值到达0.87，可知ABGS在12天内完成了彻底颗粒化。此刻，ABGS的粒径为3.3 mm，MLSS浓度为2.2 g/L，叶绿素α含量为3.8 mg/L，SVI 30值为53.2 mL/g，与R1和R2中构成的ABGS比较之下，R3中的污泥性质更优。显微结构调查显现投加的AMPs首要坐落ABGS的中心区域，证明了强化办法的有用性。上述研讨效果标明，AMPs的投加有用地促进了自保持ABGS的构成，且细菌和藻类之间杰出的共生联系有助于保持颗粒结构的安稳性。

  R3体系中COD的均匀去除率（98.6%）高于R1（96.4%）和R2（98.1%）（图3a），而三者之间NH 4 + -N去除功率不同不大（挨近100%），不存在显着的NO 2 - -N堆集现象，标明ABGS体系具有杰出的硝化功能。跟着运转时刻的延伸，R1-R3体系中出水NO 3 - -N浓度有显着的下降趋势，相应地，TN去除功率得到进步（图3b和c）。第35地利R3体系出水中NO 3 - -N浓度（11.5 mg/L）低于R1（19.5 mg/L）和R2（12.5 mg/L）（图3b）。这可能是因为R3体系中颗粒粒径较大，颗粒内部的厌氧/缺氧区域为反硝化细菌的成长发明了有利的条件。由图3d可知，R3体系对PO 4 3- -P的均匀去除功率超越80.0%，表现出较好的PO 4 3- -P去除效果。由图4可见，污水中的C、N、P首要经过细菌代谢去除，R3体系中微藻对C、N、P的去除贡献率别离为34.6%、17.0%、10.0%，显着高于R1和R2。R3体系中投加的AMPs絮凝了较多的藻细胞（絮凝功率到达99%），而藻类（特别是绿藻）可以吸收氮、磷等营养物质作为能量来历组成细胞物质，这可能是该体系除污染效能较高的重要原因。

  图5：接种污泥（a）和R1-R3体系中污泥的XDLVO位能曲线：投加MPs；R3：投加AMPs。在XDLVO

  理论总位能曲线上大都存在一个最高点，称为斥力势垒，只有当微生物粒子具有可以翻跳过这个势垒的动能，才干发生絮凝沉降，所以斥力势垒的凹凸往往决议着体系的安稳性巨细。势垒越高，阐明体系越安稳，絮凝沉降功能越差；反之，势垒越低，微生物只需要较低的动能就可以翻越势垒，容易发生沉降。在本研讨中，经过比较各个体系中污泥的总势能曲线体系中的污泥其能垒别离为138.98 kT和109.64 kT，显着高于R3体系中的能垒（89.93 kT），标明投加菌丝球裹藻凝聚核强化构成的ABGS具有最低的能量势垒和较强的微生物集合才干。细菌、藻类和真菌的群落结构剖析

  ABGS在门水平（a）和属水平（b）上微生物种群的相对丰度，ABGS中的藻类在属水平的相对丰度（c）和真菌在属水平上的相对丰度（d），属分类水平上的热图（e），相对丰度坐落前20个的菌属与EPS含量和N、P去除功率之间的聚类剖析（f）。R1：对照组；R2：投加MPs；R3：投加AMPs。跟着颗粒化进程的进行，三个光生物反应器中放线菌门（Actinobacteriota）的相对丰度急剧下降至0.21%以下（图6a），变形菌门（Proteobacteria）的相对丰度显着进步，尤其是

  中该菌门的相对丰度添加至62.68%，是接种污泥的3.7倍。在属水平上，一切ABGS样品中的优势菌属与接种污泥的优势菌属具有显着的差异性（图6e）。具体地说，R1、R2和R3体系中归于变形菌门的Neomegalonema其相对丰度别离添加至43.82%、20.71%和46.11%（图6b）。本研讨进一步将相对丰度坐落前20的微生物种属与EPS含量和TN、PO 4 3- -P去除功率之间进行了相关性剖析，发现TN、PO 4 3- -P去除功率和EPS含量与Neomegalonema呈正相关联系（图6f）。已有研讨显现，Neomegalonema不仅是一种聚磷菌，且可以吸收有机物质和含氮物质，一起也是一种重要的胞外聚合物发生菌，与本研讨的效果相一致。在藻类的属分类水平上，R3体系中Chlorella_f_Cholrellaceae的相对丰度（23.25%）高于R1（

  ）和R2（11.68%），标明MPs絮凝的小球藻在R3体系中得到了有用富集（图6c）。小球藻在成长进程中可以将废水中的N和P同化为磷脂、核酸和核苷酸等细胞成分，然后有利于废水中营养物质的去除。图6d显现了ABGS中真菌在属水平上的散布状况。由图可知，R1、R2和R3体系中优势真菌别离是弯颈霉属（Tolypocladium）、链枝菌属（Catenaria）和黑曲霉菌属（Aspergillus）。R3中Aspergillus在的相对丰度为38.76%，显着高于R1（0.96%）和R2（3.76%）中的相对丰度。以上研讨效果显现，AMPs中的Aspergillus在光生物反应器中具有较好的适应性，可保持较好的生物活性。小结本研讨根据菌-藻共生好氧颗粒污泥（

  ABGS）的天然构成规则，提出了一种使用菌丝球裹藻凝聚核强化无曝气条件下自保持菌

  -藻共生好氧颗粒污泥快速构成的新办法。效果标明，ABGS可在12天内完成彻底颗粒化，且具有粒径大、结构紧凑、沉降功能好、生物活性高、去除污染物效果优异等特色。微观调查显现，定向投加的藻类（Chlorella）和真菌（Aspergillus）作为颗粒污泥的中心。此外，本研讨从胞外聚合物组成成分、群落结构组成（真菌、细菌和藻类）以及微生物集合才干等视点，体系解析了菌丝球裹藻凝聚核强化污泥快速颗粒化的效果机制。本项目获得了国家天然科学基金委和我国博士后科学基金委的项目赞助。首要作者介绍

  重庆大学环境与生态学院教授，博士生导师，水科学与工程系主任。兼任教育部高等学校给排水工程学科教育辅导委员会秘书长，我国乡镇供水排水协会工程教育专业委员会秘书长，我国环境科学学会水处理与回用专业委员会榜首届、第二届常务委员会委员，我国土木工程学会水工业分会第六届理事会理事，重庆市普通本科高等学校土建水利类专业教育辅导委员会委员。世界期刊《

  Reviews inEnvironmental Science and Biotechnology》编委，《给水排水》期刊编委。首要研讨方向包含污水处理及其资源化使用、饮用水安全保证技能等，环绕好氧颗粒污泥和菌-藻共生好氧颗粒污泥，现在已获得多项立异性效果，已在Water Research, Applied Catalysis B: Environment , Journal of Membrane Science、Chemical Engineering Journal等职业干流世界闻名期刊宣布论文100余篇，其间当选ESI高被引论文6篇；参编国家《室外给水设计标准》（GB 50013-2018）。掌管承当国家重点研制课题、国家水专项课题、国家天然科学基金课题等20余项；获省部级科技奖赏9项；获2019年“我国水业人物”教育与科研贡献奖。已培育博士研讨生18人，硕士研讨生50余人。张冰:

  重庆大学助理研讨员，硕士生导师。首要从事好氧颗粒污泥污水处理技能及膜法水处理技能研讨，在好氧颗粒污泥的构成机理、菌

  -藻共生好氧颗粒污泥的快速培育以及膜生物反应器等研讨范畴取得了立异性效果。以榜首作者和通讯作者在Water Reseach, Chemical Engineering Journal , Renewable & Sustainable Energy Reviews , Bioresource Technology , Journal of Membrane Science等职业干流期刊上宣布论文20余篇，其间当选ESI高被引论文2篇。掌管承当国家天然科学基金青年科学基金项目、我国博士后科学基金面上项目、我国博士后科学基金特别赞助项目（站中）、重庆市博士后科学基金特别赞助项目（特等赞助）各1项。担任《清水技能》期刊青年编委，城市水资源开发使用（南边）国家工程研讨中心专家库专家。邬莲:硕士研讨生，现就读于重庆大学环境与生态学院。

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