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    2023-11-01

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    重慶大學時文歆教授團隊最新研究進展: 利用菌絲球裹藻凝結核強化菌-藻共生顆粒污泥的快速培養及其機制研究
    發布日期:

    成果簡介

    近日,重慶大學環境與生態學院時文歆教授團隊在環境領域著名學術期刊WaterResearch上發表了題為“Anovelstrategyforrapiddevelopmentofaself-sustainingsymbioticalgal-bacterialgranularsludge:Applyingalgal-mycelialpelletsasnuclei”的論文。文中利用菌絲球絮凝(包裹)微藻形成菌絲球裹藻凝結核,創新性地提出將其作為晶核快速培養自維持菌藻共生好氧顆粒污泥的新策略,深入探究了菌絲球裹藻凝結核強化自維持菌藻共生好氧顆粒污泥系統快速構建的作用機理。采用該策略后,菌藻共生好氧顆粒污泥在12天內可實現完全顆?;?,且具有粒徑大、顆粒結構致密、沉降性能好、生物活性高、污染物降解能力強等優勢特征。本研究為強化非曝氣條件下菌-藻共生顆粒污泥的快速培養和系統穩定性提供了一種經濟可行的新方法。

    引言

    眾多的研究結果表明,與好氧顆粒污泥(Aerobicgranularsludge,AGS)相比,菌-藻共生好氧顆粒污泥(Algal-bacterialaerobicgranularsludge,ABGS)具有更加致密的顆粒結構,更好的沉降性能,更高效的除污染效能,以及良好的抗沖擊負荷能力和結構穩定性。然而,ABGS系統仍然存在啟動時間長、能耗高、藻類生物量易流失以及長期運行易失穩等問題。研究發現,在ABGS形成的初始階段,藻細胞相互結合形成的微小團聚體可作為微生物粘附的核心,這種獨特的結構有利于維持ABGS結構的穩定性,因此,利用藻類初始凝結核可能為加速污泥顆?;^程提供一種新思路。然而,藻細胞尺寸小、沉降性能差、生長速度慢、靜電斥力強等特性,使其難以通過自聚集形成初始核心。因此,如何實現藻細胞快速絮凝成核是一個關鍵問題。

    本研究擬基于ABGS的自然形成規律實施人工強化,利用絲狀菌絮凝(包裹)微藻,創新性地提出利用菌絲球裹藻凝結核定向誘導ABGS形成的新方法,深入探究菌絲球裹藻凝結核強化ABGS系統快速構建的作用機理,主要研究內容包括:(1)對mycelialpellets(MPs)、algal-mycelialpellets(AMPs)形成的關鍵參數進行優化,(2)探究ABGS的顆?;^程和系統內物質轉化機制,(3)考察ABGS的微觀形態特征、胞外聚合物組成和群落結構的動態變化,(4)基于擴展的Derjaguin-Landau-Verwey-Overbeek(XDLVO)理論分析顆粒污泥中細胞表面相互作用能和污泥聚集能力,以及(5)闡釋菌絲球裹藻凝結核強化ABGS快速形成的作用機制。研究成果為ABGS的定向誘導、快速形成和結構穩定性調控提供新的方法和思路,為ABGS技術的工程應用提供有力的理論指導和技術支撐。

    圖文導讀

    菌絲球裹藻凝結核的最佳合成條件

    圖1:MPs的生長曲線(a);接種孢子密度(b)、pH(b)、轉速(d)、溫度(e)對MPs形成的影響;采用共培養法(f)和吸附法(g)時吸光度隨時間的變化;MPs培養時間(h)、藻細胞投加量(i)和MPs投加量(j)對AMPs形成的影響;MPs(k)和AMPs(l)的微觀形貌觀察。

    在最初72h內MPs的生物量急劇增加,隨后進入穩定期(圖1a)。圖1b-e表明,MPs的最佳培養條件為:孢子濃度為6.3×106CFU/mL、pH為6.0、轉速為150rpm、溫度為30℃。對制備AMPs的方法進行了比較分析(圖1f,g,l),得出吸附法為AMPs的最佳制備方法。通過考察MPs培養時間、MPs投加量和藻細胞投加量對絮凝效果的影響,進一步優化了AMPs的制備條件。當投加培養時長為3d的MPs、藻液投加量為50mL、MPs投加量為12g(濕重)時,藻細胞的絮凝效率達到最大值(~99.0%)(圖1h-j)。

    在最優條件下制備的MPs其核心結構緊湊、邊緣松散、尺寸均勻(圖1k)。MPs與AMPs除了顏色不同,形態上無明顯差異(圖1l)。SEM和TEM圖像顯示(圖1l),小球藻緊密附著在菌絲上,主要分布在AMPs的外層。此外,長而致密的菌絲在AMPs內相互纏繞,使得AMPs表面形成了一定的通道和孔隙,這種多孔結構有利于氧氣和營養物質傳質。

    菌絲球裹藻凝結核強化作用下污泥的顆?;^程

    圖2:R1-R3中的ML(V)SS(a-c),SVI30和SVI30/SVI5(d),ABGS平均粒徑(e),葉綠素α濃度(f)的變化情況。R1:對照組;R2:投加MPs;R3:投加AMPs。

    活性污泥接種后,R1-R3中初始MLSS濃度約為3.6g/L,R2和R3中分別投加0.1g/L(干重)的MPs和AMPs(MPs/AMPs與AS的干重比為2.5%)。由圖2可知,第12天時R3中污泥的平均粒徑已超過300μm,SVI30/SVI5比值達到0.87,可知ABGS在12天內實現了完全顆?;?。此時,ABGS的粒徑為3.3mm,MLSS濃度為2.2g/L,葉綠素α含量為3.8mg/L,SVI30值為53.2mL/g,與R1和R2中形成的ABGS相比之下,R3中的污泥性質更優。顯微結構觀察顯示投加的AMPs主要位于ABGS的核心區域,證實了強化方法的有效性。上述研究結果表明,AMPs的投加有效地促進了自維持ABGS的形成,且細菌和藻類之間良好的共生關系有助于維持顆粒結構的穩定性。

    污染物去除效能和質量平衡分析

    圖3:R1-R3中COD去除效率(a)、NO2--N和NO3--N出水濃度(b)、TN去除效率(c)、PO43--P去除效率(d)的變化情況。R1:對照組;R2:投加MPs;R3:投加AMPs。

    R3系統中COD的平均去除率(98.6%)高于R1(96.4%)和R2(98.1%)(圖3a),而三者之間NH4+-N去除效率差別不大(接近100%),不存在明顯的NO2--N積累現象,表明ABGS體系具有良好的硝化性能。隨著運行時間的延長,R1-R3系統中出水NO3--N濃度有明顯的下降趨勢,相應地,TN去除效率得到提高(圖3b和c)。第35天時R3系統出水中NO3--N濃度(11.5mg/L)低于R1(19.5mg/L)和R2(12.5mg/L)(圖3b)。這可能是由于R3系統中顆粒粒徑較大,顆粒內部的厭氧/缺氧區域為反硝化細菌的生長創造了有利的條件。由圖3d可知,R3系統對PO43--P的平均去除效率超過80.0%,表現出較好的PO43--P去除效果。由圖4可見,污水中的C、N、P主要通過細菌代謝去除,R3系統中微藻對C、N、P的去除貢獻率分別為34.6%、17.0%、10.0%,明顯高于R1和R2。R3系統中投加的AMPs絮凝了較多的藻細胞(絮凝效率達到99%),而藻類(特別是綠藻)能夠吸收氮、磷等營養物質作為能量來源合成細胞物質,這可能是該系統除污染效能較高的重要原因。

    圖4:R1-R3反應器中ABGS的C、N、P質量流。R1:對照組;R2:投加MPs;R3:投加AMPs。

    基于XDLVO理論的表面熱力學分析

    圖5:接種污泥(a)和R1-R3系統中污泥的XDLVO位能曲線(b-d)。R1:對照組;R2:投加MPs;R3:投加AMPs。

    在XDLVO理論總位能曲線上大都存在一個最高點,稱為斥力勢壘,只有當微生物粒子具有能夠翻越過這個勢壘的動能,才能發生絮凝沉降,所以斥力勢壘的高低往往決定著體系的穩定性大小。勢壘越高,說明體系越穩定,絮凝沉降性能越差;反之,勢壘越低,微生物只需要較低的動能就可以翻越勢壘,容易發生沉降。在本研究中,通過比較各個系統中污泥的總勢能曲線,發現R1和R2系統中的污泥其能壘分別為138.98kT和109.64kT,顯著高于R3系統中的能壘(89.93kT),表明投加菌絲球裹藻凝結核強化形成的ABGS具有最低的能量勢壘和較強的微生物聚集能力。

    細菌、藻類和真菌的群落結構分析

    圖6:接種污泥和R1-R3系統中形成的ABGS在門水平(a)和屬水平(b)上微生物種群的相對豐度,ABGS中的藻類在屬水平的相對豐度(c)和真菌在屬水平上的相對豐度(d),屬分類水平上的熱圖(e),相對豐度位于前20個的菌屬與EPS含量和N、P去除效率之間的聚類分析(f)。R1:對照組;R2:投加MPs;R3:投加AMPs。

    隨著顆?;^程的進行,三個光生物反應器中放線菌門(Actinobacteriota)的相對豐度急劇下降至0.21%以下(圖6a),變形菌門(Proteobacteria)的相對豐度顯著提高,尤其是R3中該菌門的相對豐度增加至62.68%,是接種污泥的3.7倍。在屬水平上,所有ABGS樣品中的優勢菌屬與接種污泥的優勢菌屬具有明顯的差異性(圖6e)。具體地說,R1、R2和R3系統中屬于變形菌門的Neomegalonema其相對豐度分別增加至43.82%、20.71%和46.11%(圖6b)。本研究進一步將相對豐度位于前20的微生物種屬與EPS含量和TN、PO43--P去除效率之間進行了相關性分析,發現TN、PO43--P去除效率和EPS含量與Neomegalonema呈正相關關系(圖6f)。已有研究顯示,Neomegalonema不僅是一種聚磷菌,且能夠吸收有機物質和含氮物質,同時也是一種重要的胞外聚合物產生菌,與本研究的結果相一致。

    在藻類的屬分類水平上,R3系統中Chlorella_f_Cholrellaceae的相對豐度(23.25%)高于R1(18.52%)和R2(11.68%),表明MPs絮凝的小球藻在R3系統中得到了有效富集(圖6c)。小球藻在生長過程中能夠將廢水中的N和P同化為磷脂、核酸和核苷酸等細胞成分,從而有利于廢水中營養物質的去除。圖6d顯示了ABGS中真菌在屬水平上的分布情況。由圖可知,R1、R2和R3系統中優勢真菌分別是彎頸霉屬(Tolypocladium)、鏈枝菌屬(Catenaria)和黑曲霉菌屬(Aspergillus)。R3中Aspergillus在的相對豐度為38.76%,明顯高于R1(0.96%)和R2(3.76%)中的相對豐度。以上研究結果顯示,AMPs中的Aspergillus在光生物反應器中具有較好的適應性,可維持較好的生物活性。

    小結

    本研究基于菌-藻共生好氧顆粒污泥(ABGS)的自然形成規律,提出了一種利用菌絲球裹藻凝結核強化無曝氣條件下自維持菌-藻共生好氧顆粒污泥快速形成的新方法。結果表明,ABGS可在12天內實現完全顆?;?,且具有粒徑大、結構緊湊、沉降性能好、生物活性高、去除污染物效果優異等特點。微觀觀察顯示,定向投加的藻類(Chlorella)和真菌(Aspergillus)作為顆粒污泥的核心。此外,本研究從胞外聚合物組成成分、群落結構組成(真菌、細菌和藻類)以及微生物聚集能力等角度,系統解析了菌絲球裹藻凝結核強化污泥快速顆?;淖饔脵C制。

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