生活污水排放量巨大，截至2022年底，全國城市生活污水排放量為639.3億m3，處理行業(yè)碳排放量超過53.0 Mt CO2e/年。依賴高能耗凈化污染物的傳統(tǒng)生活污水處理工藝，已難以滿足“減污降碳”和資源化利用國家戰(zhàn)略需求。因此，亟需新型低碳綠色處理技術(shù)。
相比較而言，微藻處理技術(shù)因其低碳高效高資源化利用優(yōu)勢，在“污水綠色生產(chǎn)工藝”方面，展現(xiàn)良好應(yīng)用潛力。但是當前微藻處理技術(shù)研究多限于實驗室水平，缺乏相關(guān)反應(yīng)器現(xiàn)場中試尺度運行研究，難以有效指導(dǎo)該技術(shù)規(guī)?；瘧?yīng)用。針對這一瓶頸問題，中國科學(xué)院成都生物研究所合成微生物組與污水資源化創(chuàng)新團隊在已有研究基礎(chǔ)上，在海天水務(wù)集團股份公司支持下，于西南某市政污水處理廠，開展室外260 L管式光生物反應(yīng)器（Tubular photobioreactor,TPBR）藻菌體系（Microalgae consortium,MC）中試處理研究，并對比常規(guī)曝氣柱式光生物反應(yīng)器（Aeration photobioreactor,APBR）處理過程，探索小球藻和污染物負荷聯(lián)合影響下微生物共現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)特征，解析微生物群落演替及氮循環(huán)功能變化。
圖 1 異養(yǎng)硝化/好氧反硝化作用于藻菌脫氮過程中的協(xié)同與競爭關(guān)系
在TPBR中，隨著實際生活污水進水量從50 L增加到150 L，MC從懸浮體系轉(zhuǎn)換成微藻-微生物生物膜（Microalgae-microbial biofilm,MMBF），并保持良好處理性能。通過微藻和微生物共進化形成協(xié)同處理體系，TPBR保持高效去污效率（圖2）。經(jīng)過24 h間歇循環(huán)處理后，出水穩(wěn)定達到《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標準》（GB 18918-2002）I級A類標準。當MMBF受進水沖擊脫落后，TPBR處理效率下降。
圖 2 管式光生物反應(yīng)器和曝氣柱式光生物反應(yīng)器污染物去除效果
對藻際環(huán)境微生物群落分析發(fā)現(xiàn)，在穩(wěn)定MMBF體系中，微藻與進水污染物負荷共同塑造MC共現(xiàn)模式，并呈現(xiàn)隨機網(wǎng)絡(luò)特征。進一步研究發(fā)現(xiàn)MMBF生物膜結(jié)構(gòu)能同時增強藻菌異養(yǎng)同化和協(xié)同好氧脫氮作用，并且適度增加進水污染負荷會促進微生物種群多樣性和相互作用強度，但是當超出處理限額后則會引發(fā)氮循環(huán)微生物失衡和MMBF非穩(wěn)態(tài)。此外，表現(xiàn)階段功能的異養(yǎng)硝化-好氧反硝化（Heterotrophic nitrification-aerobic denitrification,HN-AD）細菌是維持MMBF平衡的關(guān)鍵。特異階段功能的改變影響了它們與微藻的共生關(guān)系，在穩(wěn)定處理階段，微藻生物量的積累和O2釋放促進好氧反硝化作用，從而維持Stage_I（K00368）和Stage_II（K02567和K02568）高反硝化相關(guān)基因豐度，強化藻菌協(xié)同脫氮。同時，MMBF中氮循環(huán)微生物在固氮（K02586、K02588和K02591）、有機氮代謝（K01915和K05601）和同化硝酸鹽還原（K02567和K02568）方面表現(xiàn)出較強代謝功能。
圖 3TPBR中MMBF藻菌體系微生物種群共現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)和氮循環(huán)相關(guān)基因分析
上述研究成果發(fā)表于SCI一區(qū)TOP期刊Bioresource Technology (https://doi.org/10.1016/j.biortech.2024.131151)。碩士研究生李盼為第一作者，李欣副研究員為通訊作者。本研究得到蘭州重離子加速器設(shè)備支持，以及四川省科技支撐計劃、成都市重點研發(fā)計劃、中國科學(xué)院青年促進會與“西部之光”項目等聯(lián)合資助。