第一作者：耿燕妮
通讯作者：余珂
通讯单位：北京大学深圳研究生院
图片摘要
成果简介
本研究以微藻-细菌颗粒为对象，基于响应面优化和生命周期宏基因组解析，系统揭示其在高氨氮渗滤液处理中的微生物协同机制。颗粒体系初始无机氮去除速率达167.5 mg/L/d，显著优于单一微藻体系；16S rRNA基因测序结果显示Halomonas sp.富集与污染物去除增强相关。通过D-optimal响应面优化后无机氮去除提升至193.3 mg/L/d，同时促进COD去除、絮凝、EPS产生和结构稳定。反应器8个运行周期中，体系至第IV周期保持>193.4 mg/L/d，随后略降5%，呈现典型“生长—稳定—衰退”生命周期。宏基因组对326个MAGs的解析表明微生物协同由营养同化向逆境响应转变：同化基因下降至峰值的44.3%，hcp、cah等应激基因上升11.2倍，解释了体系的韧性来源。上述发现为微藻–细菌颗粒系统的生态设计与生命周期管理提供了关键见解。
引言
随着城市化加速，全球生活垃圾产量持续增长，填埋场渗滤液因含有高浓度铵氮及难降解有机物而对传统生物脱氮造成严重抑制，而物化方法虽可去除污染物，却能耗高且易产生二次污染。微藻–细菌体系因微藻光合供氧与细菌协同降解能力，被视为一种低能耗、可持续的脱氮途径，但传统悬浮共培养结构松散、沉降性差，在高强度渗滤液中稳定性不足。微藻–细菌颗粒则通过紧密的胞间结构与代谢互馈，提高了生物量保留、耐受性和氮转化效率，然而其性能高度依赖颗粒内部微生物组成与空间结构。为破解这些瓶颈，本研究构建适用于高氨氮渗滤液的微藻–细菌颗粒体系，结合响应面优化与时空分辨的基因组学解析，系统揭示颗粒全生命周期内的微生物演替、氮代谢动态及功能衰退机制，为发展稳健、高效、低碳足迹的氮污染废水生物处理技术提供科学依据与工程思路。
图文导读
微藻-细菌颗粒高效脱氮
图1. 各组微藻-细菌系统的脱氮性能与生物特性（a）氨氮、（b）硝态氮和（c）总无机氮的去除情况，以及（d）去除速率与去除效率的对比；实验设置：对照组I（球藻+丝状藻）、对照组II（球藻）、对照组III（丝状藻）与实验组（球藻+丝状藻+细菌）。（e）微生物生物量的动态变化。（f）絮凝活性随时间的变化趋势。误差线表示平均值±标准差（n=3）。
在原渗滤液中，微藻–细菌颗粒在 10 天内实现快速脱氮（Fig. 1a–c）：NH₄⁺-N、NO₃⁻-N 和 TIN 分别由 1667.6、4.4 和 1671.9 mg/L 降至 2.2、<0.1 和 2.2 mg/L，TIN 去除速率达 167.5 mg/L/d（Fig. 1d），为微藻对照组（I–III）的 1.1–1.3 倍，亦高于文献报道的 4.54 倍（Table S3）。颗粒生物量增长 3.6 倍（Fig. 1e），并在 2 min 内完全沉降（Fig. 1f），显示出良好活性与可运行性。对照组因失活（Fig. S4），NH₄⁺-N 残留 221.5–451.8 mg/L，仍高于排放限值。颗粒还实现了 34.2% 的 COD 去除，尽管近半 COD 难降解，但颗粒仍能利用可生物组分，无需外加碳源，体现能效优势。结果表明细菌在维持微藻活性与促进碳氮去除中起关键作用，因此有必要深入解析颗粒中的细菌群落以进一步提升处理性能。
渗滤液处理过程中共生细菌群落分析
图2 实验组在渗滤液处理前后细菌群落的动态变化（a）门水平细菌群落相对丰度；（b）属水平优势菌属相对丰度；（c）优势细菌与关键理化因子的相关性；（d）处理初始与结束阶段的Chao1 α多样性指数对比；（e）基于Bray-Curtis距离的细菌群落差异主坐标分析；（f,g）渗滤液处理初期（f）与末期（g）的细菌共现网络，其中红色和蓝色连线分别代表正、负相关性，节点与标签大小表示连接度。
为阐明颗粒中优势细菌的作用，基于 16S rRNA（V3–V4）对渗滤液处理前后微生物群落进行比较（Fig. 2）。颗粒细菌主要由 Proteobacteria、Planctomycetota、Chloroflexi 和 Bacteroidota 构成，占比 85–96%（Fig. 2a）。处理后微生物丰富度升高（Chao1：307 → 467，p = 0.009，Fig. 2d），PCoA 显示群落结构显著分化（p = 0.008，Fig. 2e）。共现网络复杂度显著增强，节点和边分别由 288、1134 增至 360、2241，正相关比例由 83.86% 升至 96.07%（Fig. 2f, g）。Proteobacteria 丰度提高 28.4%，其中 Halomonas sp. 增加 25%（Fig. 2b），并与 NH₄⁺-N、NO₃⁻-N、TIN 与 COD 浓度呈显著负相关（Fig. 2c）。纯培养结果显示 Halomonas sp. 可单独去除 65.8% TIN 和 36.8% COD（Fig. S5），验证其为菌藻颗粒中的核心脱污菌。
基于响应面的优化和颗粒性能分析
图3 TIN去除速率与COD去除效率的响应面分析（a-c）TIN去除速率及（d-f）COD去除效率的双因素响应面与等高线图。（a,d）展示球藻与丝状藻添加量的交互效应；（b,e）展示球藻与细菌添加比例的交互效应；（c,f）展示丝状藻与细菌添加比例的交互效应。
为发掘菌藻最优配比，根据模型方程（Eqs. (1)–(2)），构建了六组三维响应面与等高线图，以分析 球藻、丝状藻和细菌对 TIN 去除速率及 COD 去除率的影响（Figs. 3a–f），每次固定一个变量于中心水平。ANOVA 结果表明，细菌（C）贡献最大，可解释 45–50% 的 TIN 去除和约 40% 的 COD 去除；球状微藻（A）和丝状微藻（B）贡献约 25–30%，主要通过光合供氧与营养吸收发挥作用（详见 Text S8）。显著的交互效应（A × C、B × C）反映了典型的菌藻协同机制，即藻类氧气促进细菌硝化，细菌产生的 CO₂ 反向促进藻类生长。
图4. 响应面法优化前后系统性能与颗粒特性对比（a）总无机氮与化学需氧量去除负荷的实验值、预测值及优化前对比；（b）优化前后微藻-细菌颗粒沉降性能对比；（c）优化前后微藻-细菌颗粒粒径分布对比；（d）优化前后胞外聚合物组分构成对比。
优化后的菌藻颗粒表现出更强的絮凝能力，在 110 s 内即可达到近 100% 的絮凝活性，沉降速率较未优化颗粒提高 9.1%（Fig. 4b）。颗粒平均粒径由约 0.4 mm 增至约 1.8 mm，同时绝对 zeta 电位从 –19 mV 上升至 –14 mV（Fig. 4c, Fig. S6），表明聚集增强、电性排斥减弱，有利于快速絮凝。优化后颗粒的 EPS 总量显著提升 58.6%（Fig. 4d），结构稳定性和聚集性明显增强。TB-PS 与 TB-PN 均增加 0.06 g/g biomass，分别起到结构骨架与细胞黏附作用，共同强化 EPS 基质并提升颗粒耐受。同时，LB-PN 增加 0.04 g/g biomass，有利于颗粒表面氮吸附，而 LB-PS 基本不变，说明成熟颗粒结构已趋于稳定。总体而言，这些 EPS 变化不仅改善了颗粒沉降与结构稳固性，也进一步提升了污染物去除性能。
微藻-细菌颗粒的生命周期分析
图5 微藻-细菌颗粒在八个SBR周期（Ⅰ–Ⅷ）中处理垃圾渗滤液的性能演变（a）NH₄⁺-N与NO₃⁻-N浓度变化；（b）总无机氮与化学需氧量浓度动态；（c）总无机氮与化学需氧量的去除效率与负荷；（d）运行期间pH、盐度与溶解氧的变化。
为评估优化菌藻颗粒的可重复使用性与稳定性，系统进行了 8 个 SBR 循环（每周期 8 天）（Fig. 5）。在前两周期（I–II），颗粒可耐受高浓度氨氮（1524.8 mg/L）和有机物（COD 1925 mg/L），NH₄⁺-N 与 NO₃⁻-N 均可完全去除，TIN 去除率最高达 195.7 mg/L/d，COD 去除率 >51.4%（Fig. 5a–c）。这一表现源于藻类持续供氧支持硝化，而颗粒内层异氧菌完成反硝化（Fig. 5d）。在 III–IV 周期，TIN 去除率稳定 >99%，系统进入成熟期。至 V–VIII 周期，TIN 降至 183.7 mg/L/d、COD 去除率下降 18.3%，推测与微生物活性及颗粒结构衰减相关。总体上，体系仍保持较强的污染物去除能力，显示出良好的功能韧性。
图6 微藻-细菌颗粒中的氮代谢功能解析（基于KEGG pathway map00910）（a）基于重叠群分析的颗粒外层与内层氮素获取及代谢相关基因丰度对比；（b-d）基于宏基因组组装基因组的颗粒外层与内层中（b）氮同化、（c）氮异化及（d）氮吸收代谢相关基因RPM丰度分布，柱状图颜色表示携带功能基因的宿主菌门。
在初始阶段（Cycle I），颗粒核心富集氮代谢基因，外层 nirA、narB 等基因略高，显示藻菌协同从外层启动。颗粒成熟期（Cycle III）氮代谢活性达到峰值，约 43% 的氮相关基因丰度最高，Pseudomonadota 与 Cyanobacteriota 成为主要功能菌，氨氮和硝氮转运基因（amt、nrt）显著上升，碳固定相关基因（cynT、cynS）增强，实现最强碳氮耦合与微生物协同。后期（Cycles V–VIII），颗粒外层光自养活性衰退，氮同化基因下降 44%，CO₂ 水化及应激基因（cah、hcp）升高，系统代谢由高效去除转向存活优先，异化氮代谢基因增强但去除效率下降约 5%。总体表明，颗粒经历“核心活跃—成熟高效—老化应激”过程，藻菌协同机制从强化代谢向生存策略重构，以维持颗粒在高氮负荷下的核心功能。
小结
本研究表明，微藻–细菌颗粒可作为高氮废水处理的稳健方案。功能微生物的加入显著提升了氮、碳去除效率、生物量、颗粒稳定性及沉降性能。通过 D-optimal 响应面法优化球状、丝状微藻及 Halomonas sp. 剂量，实现 COD 和 TIN 去除率提升，同时增强颗粒絮凝、EPS 产量及结构完整性，提高可重复使用性和长期韧性。基因组分辨宏基因组分析显示氮代谢随时间在空间上分层，运行延长时由能量密集的同化转向节能异化，伴随颗粒衰退。结果为微藻–细菌颗粒系统的生态设计与生命周期管理提供了重要参考，为工业和市政废水低足迹处理及氮污染缓解提供可持续策略。
该项研究得到了自然科学基金项目（32470697,62202014,42477127,61972217和51939009），深圳市基础研究计划项目（JCYJ20220812103301001和JCYJ20190808183205731），北京大学-必和必必大学碳与气未名博士学者项目（项目编号：WM202406）等基金的资助
作者简介
第一作者：耿燕妮
北京大学22级博士研究生，长期从事极端条件下微生物处理废水研究。迄今发表JCR一区论文20余篇，以第一作者在Environ. Sci. Technol.，Water Res.，J. Hazard. Mater.，Chem. Eng. J., 等期刊发表论文6篇，以第一负责人主持北京大学必和必拓“碳与气候”未名学者项目。
通讯作者：余珂
北京大学深圳研究生院，副教授，环境科学与工程学、计算机应用技术双学科博导。主要从事环境微生物组及生物信息学方法研究，专注于生物信息学分析算法、流程及可视化开发，结合培养组发掘极端环境体系中具有应用潜力的微生物。研究同时关注于多宏组学联用技术开发，解析群落微生物的生态位分异及其互作关系。成果包括论文90余篇，含以第一作者或通讯作者身份在包括Nature Communications, Microbiome, Environmental Science & Technology，Water Research等微生物组学、环境工程等多领域多个期刊的多篇论文。
联系方式：yuke.sz@pku.edu.cn
原文链接：https://doi.org/10.1016/j.watres.2025.125098
