-点击上方蓝字 关注我们
/ DECEMBER 本文已进行原创声明
第一作者：何琪
通讯作者：张倩
通讯单位：武汉理工大学土木工程与建筑学院
原文链接：
https://doi.org/10.1016/j.biortech.2024.131796
图文摘要
成果简介
近日，武汉理工大学土木工程与建筑学院张倩团队在环境领域学术期刊Bioresource Technology上发表了题为“Harnessing diurnal dynamics: Understanding the influence of light–dark cycle on algal-bacterial symbiotic system under aniline stress”的学术论文，该论文设置了三组不同的光暗周期，探究了在苯胺环境下光暗比对菌藻共生系统污染物去除效果、EPS分泌及藻类生长情况、原核微生物和藻类的群落演替以及代谢途径的影响。合理的光暗周期能有效促进反应器的硝化、反硝化以及藻类氨氮同化潜力，有利于菌藻之间达到相对平衡使其相互协作从而最大限度地激发反应器的除污性能。但过长的光照时间会破坏反硝化反应所需的缺氧环境，对细胞产生光抑制损伤作用，同时会导致光饱和效应，造成光照浪费和藻类过度繁殖，从而使硝化功能无法有效发挥。
引言
如何经济高效地实现苯胺和氮的同步去除是一个严峻挑战，菌藻共生系统因其能通过菌藻之间的合作交流减少曝气量的产生和温室气体的排放而引起关注。在实际运行中，室外培养的微藻暴露在光照时长变化的自然昼夜规律中，光照条件对菌藻的代谢活动有重大影响，过短的光照使藻类无法正常生长，过长的光照时间可能会导致微藻的过度繁殖破坏菌藻之间的相互协调作用，藻类过度产氧会吹走CO2造成无机碳源匮乏，确定适当的光暗周期有助于提高藻菌共生系统对氮磷等营养物质的去除、生物质的积累以及光能的利用。因此，本研究设置了三组不同的光暗周期来探究在苯胺环境下光暗比对菌藻共生系统污染物去除效果、EPS分泌及藻类生长情况、原核微生物和藻类的群落演替以及代谢途径的影响。
图文导读
三个系统的苯胺降解性能在不同光照时长下几乎没有差别，都能达到近100%的降解率。Z2的COD去除效果略佳。当反应器长期处于无外界光照的环境下，Z1系统内的微藻会逐渐衰亡，氨氮同化效果也随之变差。然而，NH4+-N的累积会进一步损伤硝化菌的活性，从而恶化系统的硝化性能，Z1受限于硝化反应和氨氮同化过程。在6 h的光照时长下，周期性的光照模式有利于创造交替好氧和缺氧的环境，更有利于硝化和反硝化过程，还有利于光反应的产氧过程和暗反应的CO2固定，促进藻类繁殖和氨氮同化作用。在24 h的持续光照条件下，Z3的缺氧段的反硝化作用可能受到微藻光合产氧的影响无法有效进行，导致NO3--N和NO2--N有所累积。持续光照虽然可以促进氨氮同化作用，但与Z2相比，氨氮去除率并没有明显得到提高。
图2：藻菌共生系统的生物量变化和污泥特性：(a):藻的生物量及叶绿素含量; (b):EPS含量；(c):三维荧光光谱
Z2具有最高的菌群丰富性及多样性，Z1与其他藻菌共生系统在微生物群落上存在较大差异。Z3中长时间的光合作用产生的有氧环境不利于反硝化菌的繁殖，光照的存在会影响norank_f__Microscillaceae、Pseudomonas及norank_f__NS9_marine_group的生长活动。Norank_f__Anaerolineaceae、norank_f__A4b、Dokdonella及norank_f__Micavibrionaceae都在Z2中占有一定位置，说明Z2中可能除了TM7a和norank_f__norank_o__Saccharimonadales，还有多种菌属的协同合作来保证污染物的有效降解，而在Z3中TM7a就占有39.14%的丰度。Z3可能是通过某些菌属的绝对优势地位来发挥作用，周期内的光暗循环可能有利于小球藻和衣藻的生长代谢，而长时间的光照会抑制绿藻的生长。Ellin6067的丰度分别为Z1-10、Z2-442、Z3-40。Z2系统中Nitrosomonas和Nitrospira的丰度分别为20和14，而Z1和Z3中其丰度均小于1，因为AOB和NOB都对光照敏感且由于Z3中藻类的过量生长，而藻类在竞争氨氮基质上比AOB和NOB更有优势，因此Z3的硝化效果比Z2更差。
Z2合适的光照时间创造的好氧缺氧交替环境使氨氮同化作用和硝化反硝化作用均得到有效发挥，多种功能菌属相互合作来保证污染物的去除效果，而Z3过长的光照时间促进藻类的过量繁殖可能引起了物种竞争，会对大多数硝化菌和反硝化菌产生抑制作用，且持续光照产生的溶解氧破坏了反硝化的缺氧条件使功能菌属不能得到充分发挥。
图3：微生物群落演替：(a):原核生物门水平; (b):原核生物属水平；(c):真核生物属水平；(d):主要硝化菌丰度
代谢功能预测
反映光合作用潜力的光系统I（M00161）和光系统II（M00163）在Z1中的丰度均低于6，而在Z2和Z3中的丰度则为384~880，Z2和Z3的M00162（细胞色素b2f）和M00157（F型ATP酶）丰度也较为相近。说明在同一光照强度下，光照时间的延长并不会对藻菌共生反应器的光合作用潜力产生明显的促进作用，延长光照时间在一定程度上会加强藻类的氨氮同化。同时，硝化和反硝化基因丰度均呈现Z2>Z3≈Z1的分布趋势，尽管延长光照时间有利于氨氮的同化效果，但同时藻类的过度生长也会抑制Z3的硝化反硝化菌，导致Z3的硝化和反硝化基因丰度的下降。可见，选择合适的光暗周期模式才是提高脱氮效果的关键。
图4：不同光照模式下的代谢预测途径变化
小结
主要作者介绍
张倩：工学博士，教授，武汉理工大学土木工程与建筑学院。主要从事生物脱氮除磷、工业废水处理等方面的研究。近年来，主持纵横向科研项目20余项，发表SCI论文50余篇，已授权国家发明专利8项，获省部级科技奖项7项，其中一等奖2项，二等奖3项，三等奖2项。通讯邮箱：qianzhang@whut.edu.cn。
何琪：武汉理工大学土木工程与建筑学院市政工程22级硕士。通讯邮箱：2252845594@qq.com。
来源：武汉理工大学张倩团队
版权声明：本公众号为非盈利性新媒体，所刊载文章版权属于原作者及相关出版商所有，如发生侵权行为，请及时与公众号编辑联系，我们会与原作者、相关出版机构协商解决。
“AGS造粒师”热烈欢迎对好氧颗粒污泥感兴趣的专家进群交流和积极投稿（投稿邮箱：ags202201@163.com）！将AGS造粒师加为星标，或每次看完后点击页面下端的“在看”，这样可以收到我们的最新推文！
往
期
推
荐
编辑 | 毕鹏、权晨妍
校对 | 何秋来、郭媛
校核 | 何秋来、郭媛、张倩
