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重庆大学时文歆教授团队最新研究进展: 利用菌丝球裹藻凝结核强化菌-藻共生颗粒污泥的快速培养及其机制研究
更新时间:2022-04-08 来源:净水技术 作者:张冰、时文歆、邬莲

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图片摘要

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成果简介

近日,重庆大学环境与生态学院时文歆教授团队在环境领域著名学术期刊Water Research上发表了题为“A novel strategy for rapid development of a self-sustaining symbiotic algal-bacterial granular sludge: Applying algal-mycelial pellets as nuclei”的论文。文中利用菌丝球絮凝(包裹)微藻形成菌丝球裹藻凝结核,创新性地提出将其作为晶核快速培养自维持菌藻共生好氧颗粒污泥的新策略,深入探究了菌丝球裹藻凝结核强化自维持菌藻共生好氧颗粒污泥系统快速构建的作用机理。采用该策略后,菌藻共生好氧颗粒污泥在12天内可实现完全颗粒化,且具有粒径大、颗粒结构致密、沉降性能好、生物活性高、污染物降解能力强等优势特征。本研究为强化非曝气条件下菌-藻共生颗粒污泥的快速培养和系统稳定性提供了一种经济可行的新方法。

引言

众多的研究结果表明,与好氧颗粒污泥(Aerobic granular sludge,AGS)相比,菌-藻共生好氧颗粒污泥(Algal-bacterial aerobic granular sludge, ABGS)具有更加致密的颗粒结构,更好的沉降性能,更高效的除污染效能,以及良好的抗冲击负荷能力和结构稳定性。然而,ABGS系统仍然存在启动时间长、能耗高、藻类生物量易流失以及长期运行易失稳等问题。研究发现,在ABGS形成的初始阶段,藻细胞相互结合形成的微小团聚体可作为微生物粘附的核心,这种独特的结构有利于维持ABGS结构的稳定性,因此,利用藻类初始凝结核可能为加速污泥颗粒化过程提供一种新思路。然而,藻细胞尺寸小、沉降性能差、生长速度慢、静电斥力强等特性,使其难以通过自聚集形成初始核心。因此,如何实现藻细胞快速絮凝成核是一个关键问题。

本研究拟基于ABGS的自然形成规律实施人工强化,利用丝状菌絮凝(包裹)微藻,创新性地提出利用菌丝球裹藻凝结核定向诱导ABGS形成的新方法,深入探究菌丝球裹藻凝结核强化ABGS系统快速构建的作用机理,主要研究内容包括:

1)对mycelial pellets(MPs)、algal-mycelial pellets(AMPs)形成的关键参数进行优化;

2)探究ABGS的颗粒化过程和系统内物质转化机制;

3)考察ABGS的微观形态特征、胞外聚合物组成和群落结构的动态变化;

4)基于扩展的Derjaguin-Landau-Verwey-Overbeek(XDLVO)理论分析颗粒污泥中细胞表面相互作用能和污泥聚集能力;

5)以及阐释菌丝球裹藻凝结核强化ABGS快速形成的作用机制。研究成果为ABGS的定向诱导、快速形成和结构稳定性调控提供新的方法和思路,为ABGS技术的工程应用提供有力的理论指导和技术支撑。

图片导读

菌丝球裹藻凝结核的最佳合成条件

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图1:MPs的生长曲线(a);接种孢子密度(b)、pH(b)、转速(d)、温度(e)对MPs形成的影响;采用共培养法(f)和吸附法(g)时吸光度随时间的变化;MPs培养时间(h)、藻细胞投加量(i)和MPs投加量(j)对AMPs形成的影响;MPs(k)和AMPs(l)的微观形貌观察。

在最初72 h内MPs的生物量急剧增加,随后进入稳定期(图1a)。图1b-e表明,MPs的最佳培养条件为:孢子浓度为6.3×106 CFU/mL、pH为6.0、转速为150 rpm、温度为30 ℃。对制备AMPs的方法进行了比较分析(图1f,g,l),得出吸附法为AMPs的最佳制备方法。通过考察MPs培养时间、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。当投加培养时长为3 d的MPs、藻液投加量为50 mL、MPs投加量为12 g(湿重)时,藻细胞的絮凝效率达到最大值(~99.0%)(图1h-j)。

在最优条件下制备的MPs其核心结构紧凑、边缘松散、尺寸均匀(图1k)。MPs与AMPs除了颜色不同,形态上无明显差异(图1l)。SEM和TEM图像显示(图1l),小球藻紧密附着在菌丝上,主要分布在AMPs的外层。此外,长而致密的菌丝在AMPs内相互缠绕,使得AMPs表面形成了一定的通道和孔隙,这种多孔结构有利于氧气和营养物质传质。

菌丝球裹藻凝结核强化作用下污泥的颗粒化过程

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图2:R1-R3中的ML(V)SS(a-c),SVI30和SVI30/SVI5(d),ABGS平均粒径(e),叶绿素α浓度(f)的变化情况。R1:对照组;R2:投加MPs;R3:投加AMPs。

活性污泥接种后,R1-R3中初始MLSS浓度约为3.6 g/L,R2和R3中分别投加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天时R3中污泥的平均粒径已超过300 μm,SVI30/SVI5比值达到0.87,可知ABGS在12天内实现了完全颗粒化。此时,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,SVI30值为53.2 mL/g,与R1和R2中形成的ABGS相比之下,R3中的污泥性质更优。显微结构观察显示投加的AMPs主要位于ABGS的核心区域,证实了强化方法的有效性。上述研究结果表明,AMPs的投加有效地促进了自维持ABGS的形成,且细菌和藻类之间良好的共生关系有助于维持颗粒结构的稳定性。

污染物去除效能和质量平衡分析

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图3:R1-R3中COD去除效率(a)、NO2--N和NO3--N出水浓度(b)、TN去除效率(c)、PO43--P去除效率(d)的变化情况。R1:对照组;R2:投加MPs;R3:投加AMPs。

R3系统中COD的平均去除率(98.6%)高于R1(96.4%)和R2(98.1%)(图3a),而三者之间NH4+-N去除效率差别不大(接近100%),不存在明显的NO2--N积累现象,表明ABGS体系具有良好的硝化性能。随着运行时间的延长,R1-R3系统中出水NO3--N浓度有明显的下降趋势,相应地,TN去除效率得到提高(图3b和c)。第35天时R3系统出水中NO3--N浓度(11.5 mg/L)低于R1(19.5 mg/L)和R2(12.5 mg/L)(图3b)。这可能是由于R3系统中颗粒粒径较大,颗粒内部的厌氧/缺氧区域为反硝化细菌的生长创造了有利的条件。由图3d可知,R3系统对PO43--P的平均去除效率超过80.0%,表现出较好的PO43--P去除效果。由图4可见,污水中的C、N、P主要通过细菌代谢去除,R3系统中微藻对C、N、P的去除贡献率分别为34.6%、17.0%、10.0%,明显高于R1和R2。R3系统中投加的AMPs絮凝了较多的藻细胞(絮凝效率达到99%),而藻类(特别是绿藻)能够吸收氮、磷等营养物质作为能量来源合成细胞物质,这可能是该系统除污染效能较高的重要原因。

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图4:R1-R3反应器中ABGS的C、N、P质量流。R1:对照组;R2:投加MPs;R3:投加AMPs。

基于XDLVO理论的表面热力学分析

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图5:接种污泥(a)和R1-R3系统中污泥的XDLVO位能曲线(b-d)。R1:对照组;R2: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能够翻越过这个势垒的动能,才能发生絮凝沉降,所以斥力势垒的高低往往决定着体系的稳定性大小。势垒越高,说明体系越稳定,絮凝沉降性能越差;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。在本研究中,通过比较各个系统中污泥的总势能曲线,发现R1和R2系统中的污泥其能垒分别为138.98 kT和109.64 kT,显著高于R3系统中的能垒(89.93 kT),表明投加菌丝球裹藻凝结核强化形成的ABGS具有最低的能量势垒和较强的微生物聚集能力。

细菌、藻类和真菌的群落结构分析

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图6:接种污泥和R1-R3系统中形成的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),相对丰度位于前20个的菌属与EPS含量和N、P去除效率之间的聚类分析(f)。R1:对照组;R2:投加MPs;R3:投加AMPs。

随着颗粒化过程的进行,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)的相对丰度显著提高,尤其是R3中该菌门的相对丰度增加至62.68%,是接种污泥的3.7倍。在属水平上,所有ABGS样品中的优势菌属与接种污泥的优势菌属具有明显的差异性(图6e)。具体地说,R1、R2和R3系统中属于变形菌门的Neomegalonema其相对丰度分别增加至43.82%、20.71%和46.11%(图6b)。本研究进一步将相对丰度位于前20的微生物种属与EPS含量和TN、PO43--P去除效率之间进行了相关性分析,发现TN、PO43--P去除效率和EPS含量与Neomegalonema呈正相关关系(图6f)。已有研究显示,Neomegalonema不仅是一种聚磷菌,且能够吸收有机物质和含氮物质,同时也是一种重要的胞外聚合物产生菌,与本研究的结果相一致。

在藻类的属分类水平上,R3系统中Chlorella_f_Cholrellaceae的相对丰度(23.25%)高于R1(18.52%)和R2(11.68%),表明MPs絮凝的小球藻在R3系统中得到了有效富集(图6c)。小球藻在生长过程中能够将废水中的N和P同化为磷脂、核酸和核苷酸等细胞成分,从而有利于废水中营养物质的去除。图6d显示了ABGS中真菌在属水平上的分布情况。由图可知,R1、R2和R3系统中优势真菌分别是弯颈霉属(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%,明显高于R1(0.96%)和R2(3.76%)中的相对丰度。以上研究结果显示,AMPs中的Aspergillus在光生物反应器中具有较好的适应性,可维持较好的生物活性。

小结

本研究基于菌-藻共生好氧颗粒污泥(ABGS)的自然形成规律,提出了一种利用菌丝球裹藻凝结核强化无曝气条件下自维持菌-藻共生好氧颗粒污泥快速形成的新方法。结果表明,ABGS可在12天内实现完全颗粒化,且具有粒径大、结构紧凑、沉降性能好、生物活性高、去除污染物效果优异等特点。微观观察显示,定向投加的藻类(Chlorella)和真菌(Aspergillus)作为颗粒污泥的核心。此外,本研究从胞外聚合物组成成分、群落结构组成(真菌、细菌和藻类)以及微生物聚集能力等角度,系统解析了菌丝球裹藻凝结核强化污泥快速颗粒化的作用机制。

本项目获得了国家自然科学基金委和中国博士后科学基金委的项目资助。

主要作者介绍

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时文歆: 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学指导委员会秘书长,中国城镇供水排水协会工程教育专业委员会秘书长,中国环境科学学会水处理与回用专业委员会第一届、第二届常务委员会委员,中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学指导委员会委员。国际期刊《Reviews inEnvironmental Science and Biotechnology》编委,《给水排水》期刊编委。主要研究方向包括污水处理及其资源化利用、饮用水安全保障技术等,围绕好氧颗粒污泥和菌-藻共生好氧颗粒污泥,目前已获得多项创新性成果,已在Water Research, Applied Catalysis B: Environment, Journal of Membrane Science、Chemical Engineering Journal等行业主流国际知名期刊发表论文100余篇,其中入选ESI高被引论文6篇;参编国家《室外给水设计标准》(GB 50013-2018)。主持承担国家重点研发课题、国家水专项课题、国家自然科学基金课题等20余项;获省部级科技奖励9项;获2019年“中国水业人物”教学与科研贡献奖。已培养博士研究生18人,硕士研究生50余人。

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张冰: 重庆大学助理研究员,硕士生导师。主要从事好氧颗粒污泥污水处理技术及膜法水处理技术研究,在好氧颗粒污泥的形成机理、菌-藻共生好氧颗粒污泥的快速培养以及膜生物反应器等研究领域取得了创新性成果。以第一作者和通讯作者在Water Reseach, Chemical Engineering Journal, Renewable & Sustainable Energy Reviews,Bioresource Technology, Journal of Membrane Science等行业主流期刊上发表论文20余篇,其中入选ESI高被引论文2篇。主持承担国家自然科学基金青年科学基金项目、中国博士后科学基金面上项目、中国博士后科学基金特别资助项目(站中)、重庆市博士后科学基金特别资助项目(特等资助)各1项。担任《净水技术》期刊青年编委,城市水资源开发利用(南方)国家工程研究中心专家库专家。

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邬莲:硕士研究生,现就读于重庆大学环境与生态学院。


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