藻类-细菌共生（ABS）系统中的光合氧化主要是通过形成好氧环境来增强污染物的生物降解，而硝化反硝化的作用往往被忽视。在本研究中，利用藻类和活性污泥（PBR-1）开发了一种藻类-细菌聚集体（ABA）系统，以实现吡啶和氮的同时去除。在PBR-1中，高达150 mg·L-1的吡啶在48 h的水力停留时间内可以被完全去除。此外，总氮（TN）的去除效率保持在80%以上。硝化-反硝化是脱氮的关键过程，在180μmol·m2·s1条件下，硝化反硝化对TN的去除率为79.3%。此外，通过ABA系统中的硝化-反硝化共代谢，吡啶和氮的同时去除得到增强。在代谢和转录水平上揭示了PBR-1的综合生物过程，包括光合作用、吡啶生物降解、碳和氮同化以及硝化反硝化。荧光原位杂交分析表明，藻类和好氧物种位于表层，而反硝化菌位于内层。微电极分析证实了ABA的微环境具有溶解氧和pH梯度，这有利于同时去除吡啶和氮。最后在ABA的作用下，阐明了硝化反硝化过程中吡啶和脱氮的机理。对于荧光原位杂交（FISH）分析，在第75天从PBR-1中提取ABA样品，并使用薄刀片将ABA切割成横截面。此后，根据Lukumbuzya等人制备样品。[19]：使用以下探针：由TAMRA标记的NSO190，对氨氧化β变形菌特异性；Ntspa662用VIC标记，靶向所有硝基螺菌；PAR1457由太平洋蓝标记，用于识别反硝化菌；和覆盖大多数细菌的Cy5标记的EUB338。藻类可以通过叶绿素的荧光进行观察。使用共聚焦激光扫描显微镜（CLSM）（A1 HD25-TI2-U，Nikon，Japan）观察荧光。使用微电极自动化系统（PA2000，Unisense，Denmark）测量光相期间ABA内的DO和pH分布。

1.前言

吡啶因其广泛使用和高溶解性，在制药、杀虫剂、橡胶、油漆、焦化和石油等行业中经常遇到严重污染。吡啶作为一种具有代表性的N-杂环化合物，由于其致癌、致畸和致突变特性，如果处理不当，有可能对生物体和生态系统造成重大危害。各种物理化学技术，包括物理吸附、萃取、氧化和微波辐射，已被用于从废水中去除吡啶。考虑到高能耗和高成本，这些物理化学方法经常用于吡啶废水的预处理。事实证明，生物处理是处理各种顽固污染物的一种环保且具有成本效益的选择。然而，由于吡啶的高毒性和顽固性，厌氧工艺往往受到工艺稳定性差和去除率低的限制，对实际应用吸引力较小。一些研究报道了吡啶在好氧条件下的生物降解。然而，由于吡啶的高挥发性，传统的气泡曝气方法可能导致曝气成本增加和严重的空气污染。此外，在好氧生物降解系统中，500mg·L−1吡啶在高通气条件下可在4h内完全降解，而吡啶和NH4+的高负荷严重抑制了硝化作用。因此，找到一种能够同时实现有效吡啶降解和脱氮的替代方法既是当务之急，也是具有挑战性的。

藻细菌共生（ABS）系统具有无曝气光合氧化、可实现能源中和和碳中和等竞争优势，是传统废水处理技术的一种很有前途的替代方案。在ABS系统中，藻类可以通过光合作用为异养微生物在没有任何外部氧气供应的情况下进行有氧生物降解和矿化有机污染物。据报道，基于微藻（小球藻）和细菌（副球菌）的ABS系统可以通过光合作用将杂环化合物转化为NH4+来提高N的转化效率。人们普遍认为在固氮和同化方面藻类起着重要作用，藻类提供了意想不到的脱氮潜力。从理论上讲，考虑到藻类光合作用产生的氧气足以进行硝化作用，在ABS系统中，NH4+的去除可以通过同化和硝化来实现。结果表明，在碳酸氢钠饲料ABS系统中，藻类-细菌群落将81–85%的50mg·L-1NH4+-N转化为NO3--N，而总氮（TN）去除率低于20%。因此，为了去除硝化过程中产生的NO3-或NO2-，通常需要对ABS系统的出水进行进一步的反硝化处理。此过程通常需要添加外部电子供体，导致操作成本的增加。此外，由于难降解有机物的存在，ABS系统中的藻类同化以及硝化和反硝化过程将受到严重抑制。考虑在好氧颗粒污泥（AGS）系统中实现COD和氮的同时去除，污泥集料可能有利于提高TN的去除率。AGS中的高效脱氮是通过整合多种氮转化途径实现的，这归因于各种功能微生物的协同作用，基于不同的氧化还原条件在颗粒内部分层。因此，如果能够开发出具有各种功能微生物的藻细菌聚集体（ABA），则可以在不曝气的情况下同时去除吡啶和TN。此外，还证明了在亚硝酸盐或硝酸盐等电子受体的存在下，活性污泥系统中有机污染物的生物降解可以得到增强。因此，可以认为ABA系统中的硝化反-硝化作用可以提高吡啶的去除率。然而，很少报道ABA系统同时去除顽固污染物和氮。此外，还没有提出通过参与ABA系统中的硝化反硝化来促进吡啶和氮去除的机制。特别是，尚未对藻类细菌聚集体中的微生物分布进行研究。因此，形成ABA以实现有效的吡啶和氮去除的可行性需要研究和验证。

因此，本研究的总体目标是开发一种ABA系统，实现吡啶和氮的同时去除。在ABA体系中，对无曝气和外碳源条件下吡啶和氮的去除性能进行了评价。在光序批式反应器中，研究了光照强度、附加碳源和硝酸盐等不同条件对去除性能的影响。进行了元转录分析和关键酶活性测定，以揭示和验证所提出的微生物代谢机制。采用荧光原位杂交（FISH）和微电极自动化系统对ABA的微环境进行了研究。此外，还揭示和验证了ABA对吡啶的生物降解和氮转移的多种途径。最后，提出了提高吡啶和氮同时去除的硝化反硝化作用的可能机制