Characterizing algal-bacterial symbiotic biofilms: Insights into coexistence of algae and anaerobic microorganisms

表征藻类-细菌共生生物膜：深入了解藻类和厌氧微生物共存

来源：Bioresource Technology 406 (2024) 130966


1. 摘要核心内容


研究系统：构建了藻类/部分硝化/厌氧氨氧化（APNABS）生物膜系统，运行240天。

关键性能：总氮（TN）去除率 >90%，无需曝气或外加有机碳源。

生物膜结构：

外层（0-0.48 mm）：藻类主导（产氧区）。

中层（0.48-0.86 mm）：氨氧化菌（AOB）主导（耗氧区）。

内层（>0.86 mm）：厌氧氨氧化菌（AnAOB）主导（厌氧区）。

优势微生物：

藻类：Chlorella（相对丰度11.80%）。

AOB：Nitrosomonas（19.77%）。

AnAOB：Candidatus_Kuenenia（3.07%）。


2. 研究目的


解决痛点：传统脱氮工艺能耗高（需曝气+碳源），藻-菌共生系统可节能46%，但依赖好氧菌（如硝化菌），仍需外加碳源。

创新目标：将厌氧氨氧化（Anammox）引入藻-菌系统，构建分层生物膜，实现无曝气、无碳源的高效脱氮。

核心问题：揭示藻类与严格厌氧菌（AnAOB）在生物膜中共存的机制。


3. 研究思路


采用三阶段递进式构建生物膜：


Anammox阶段（1-40天）：

接种AnAOB污泥，无光照，培养厌氧氨氧化生物膜（TN去除率87.86%）。

PN/A阶段（41-100天）：

添加AOB污泥，低DO曝气（0.25–0.85 mg/L），构建部分硝化-厌氧氨氧化生物膜（TN去除率84.97%）。

A/PN/A阶段（101-240天）：

添加藻类（Chlorella sorokiniana），光照替代曝气（250 μmol/m²·s），形成共生系统（TN去除率>90%）。


4. 测量数据及研究意义

（1）水质与生物量指标（图1）


数据：NH₄⁺-N、NO₂⁻-N、NO₃⁻-N浓度、DO、MLSS、Chl-a/VSS。

意义：

验证系统脱氮性能（TN去除率>90%）（图1d）。

揭示藻类生长（Chl-a/VSS↑）与DO的关系（图1c,e）：藻类过厚（>160天）导致光限制，DO↓影响AOB活性；搅拌优化后恢复稳定。


（2）生物膜结构与组成（图2）


数据：显微镜/SEM形态、FISH微生物空间分布（AnAOB内层、AOB中层、藻类外层）。

意义：证实分层结构是藻类与厌氧菌共存的基础（图2b）。


（3）EPS分析（图3）


数据：EPS含量（蛋白质/多糖）、3D-EEM荧光峰、FTIR官能团。

意义：

EPS总量随生物膜复杂度增加（A/PN/A阶段达72.90 mg/g VSS）（图3a,b）。

蛋白质主导（>90%），增强生物膜稳定性；多糖增加（LB-EPS↑32.41%）促进微生物聚集（图3c,d）。


（4）DO梯度测量（图4a）


工具：丹麦Unisense微电极（OX-N型），步长100 μm。

数据：DO浓度剖面及二阶导数模型。

意义（核心创新点）：

分区量化：通过二阶导数极值点划分生物膜功能区：

0–0.48 mm：产氧区（藻类光合作用，DO↑）。

0.48–0.86 mm：耗氧区（AOB耗氧，DO↓速率最大点0.69 mm）。

>0.86 mm：厌氧区（DO <0.32 mg/L，AnAOB脱氮）。

机制验证：证明藻类产氧被AOB快速消耗，为AnAOB维持厌氧环境。

工艺优化依据：过厚生物膜（>160天）导致内层藻类呼吸耗氧，抑制AOB活性；需控制厚度（搅拌优化）。


（5）微生物群落与功能基因（图5）


数据：宏基因组分析（门/属水平丰度、氮代谢基因）。

意义：

优势菌群：Planctomycetes（AnAOB）、Proteobacteria（AOB）、Chlorophyta（藻类）（图5a,b）。

功能基因：hzs/hdh（anammox）、amo（AOB）、Glt（藻类同化）协同脱氮（图5c）。


5. 核心结论


系统可行性：APNABS可实现>90% TN去除，无需曝气或碳源，节能高效。

生物膜分层机制：

藻类（外层）产氧 → AOB（中层）耗氧 → AnAOB（内层）厌氧脱氮。

DO梯度（Unisense测量）是分区共存的关键证据。

微生物协作：

Chlorella、Nitrosomonas、Candidatus_Kuenenia为功能核心。

藻类同化（Glt基因↑）进一步降低出水NO₃⁻-N。

工程启示：控制生物膜厚度（避免过厚）是维持系统稳定的关键。


6. Unisense电极数据的深层意义


技术价值：首次通过微电极原位测量量化藻-菌-厌氧菌生物膜的三维DO梯度，突破传统生物膜研究的间接推测局限。

科学意义：

揭示光-氧-菌空间耦合机制：藻类光合产氧的扩散边界（0.48 mm）、AOB最大耗氧位点（0.69 mm）、AnAOB厌氧阈值（0.86 mm）。

提出二阶导数模型：将DO变化速率转化为微生物活性指标，为生物膜分区提供数学依据。

应用指导：

优化光照/搅拌策略：避免生物膜过厚（>0.86 mm）导致内层缺氧。

支撑类似系统设计（如藻类-厌氧菌耦合工艺）的参数调控。


总结：该研究通过创新性的分层生物膜构建与Unisense微电极验证，解决了藻类与严格厌氧菌共存的难题，为低碳废水处理提供了理论和技术范式。