3.6.微生物群落和功能微生物的分布

分析了微生物群落结构，研究了ABA系统中的微生物组成。如图所示S9，藻门包括蓝藻（45.0%）和绿藻（9.8%），反映了一种藻细菌特征，即藻类构成了藻细菌生物量的大部分，支持菌落在藻球中的生长。此外，变形菌门的相对丰度为27.7%，这在处理吡啶废水中曾被发现是最主要的门。

在属的水平上，PBR-1中ABA系统的优势藻类属从最初接种的小球藻转变为螺旋藻，这是一种典型的蓝细菌。然而，经过75天后，小球藻的丰度减少到4.4%。已有报道称，螺旋藻等蓝细菌在废水处理系统中可能会击败小球藻等真核微藻，这与本研究一致。此外，据报道螺旋藻可能充当核心或形成交织的垫状结构以困住其他微生物。norank_Burkholderiales、norank_Myxococcaceae和Aquabacterium的相对丰度分别为4.5%、3.4%和3.1%。据报道，Aquabacterium是与反硝化作用相关的物种。属于Burkholderiales目的硝化藻属据报道能够同时参与氨氧化和亚硝酸盐还原。此外，Myxococcaceae可以参与硝酸盐和亚硝酸盐的还原，而Myxococcaceae据发现与Nitrosomonas和Nitrospiras在活性污泥中呈正相关。此外，Paracoccus（0.7%）也是ABA系统中的优势成分之一。已发现Paracoccus能够利用难降解的污染物作为电子供体进行反硝化。因此，螺旋藻在ABA球体结构的形成中发挥了关键作用，具有光合层和各种功能菌群的协同作用。

图6 PBR-1中ABA的FISH图像：组合图像(a)、大部分细菌(b)、藻类(c)、反硝化细菌(d)和硝化细菌(e)。

基于上述DO和pH梯度的结果（图2），可以推断藻类，如小球藻和螺旋藻，位于ABA的表层。硝化细菌，如属于Burkholderiales目的Nitrosomonas属，以及属于变形菌门的需氧降解吡啶的细菌（属于变形菌门Proteobacteria门），应分布在接近藻类的地方，以利用藻类光合作用产生的溶解氧。此外，反硝化细菌，如Paracoccus和Aquabacterium，可能位于ABA的内层，那里的溶解氧水平较低。FISH分析显示了ABA中功能微生物的空间分布。如图6a所示，藻类（绿色）主要分布在ABA的表层，这对于进行光合作用获得照明非常有利。然而，反硝化细菌（蓝色）分布在内层，那里缺乏丰富的氧气。图6c-e显示，硝化细菌（紫色）位于与藻类相同的位置，有助于通过硝化利用光合作用产生的溶解氧。

3.7转录组学分析和酶活性测定

3.7.1吡啶的生物降解、硝化作用和反硝化作用

图7 ABA系统中氮代谢和光合作用的分子调控网络与吡啶的生物降解相配合。用基因名称（PBR-0 vs PBR-1）的热图显示了不同代谢途径中存在差异表达的基因。光系统I；peaA-O：光系统A-D：细胞色素b6/f复合物；光合电子传递；光系统II；atpA-H：ATP合酶：卡尔文-本森循环（Rubisco）；gdhA、glnA、gltS-D、GDH2：谷氨酰胺/谷氨酸合酶；pyrB-E：吡啶降解；napA-C：硝酸盐还原酶、nirS、norB-Z：亚硝酸盐还原酶/一氧化氮还原酶。所有基因的描述见表S3。

图7显示了ABA系统中的微生物代谢机制和基因表达。通过将预培养的藻类-细菌共生体引入活性污泥，同化、硝化和反硝化可以共存为无需添加额外碳源的氮转移途径。首先，通过利用O2和NO3-作为电子受体，将吡啶-N通过吡啶生物降解转化为NH4+-N。与PBR-0相比，pyrB和pyrE编码的吡啶降解在PBR-1中上调并且仅在PBR-1中表达，表明了更高效和多样化的吡啶生物降解。然后，NH4+-N可以通过硝化转化为NO2--N和NO3--N，而NO2--N和NO3--N通过异养反硝化作用转化为N2。如图S10所示。参与硝化-反硝化的关键酶，包括AMO、HAO、NAR、NIR、NOR和N2OR只存在于PBR-1中。参与反硝化酶的基因，包括napA、napB、napC、nirS、norB、norC和nosZ，仅在PBR-1中表达。相反，在PBR-0中它们没有表达。因此，硝化-反硝化在PBR-1的ABA系统中对吡啶和氮的去除起到了关键作用。

3.7.2 ABA系统的同化、光合作用活性和群体感应

虽然藻-菌群引入活性污泥后，氮转移途径发生了显著变化，但ABA系统可以很好地维持藻类与细菌之间的共生关系。藻类与细菌对氮源的竞争不明显，但形成了稳定的协同除氮模式，并保持良好。如图7所示。光合作用相关基因(e.g.,与光系统I（PSI）、光系统II（PSII）、ATP合酶、细胞色素b6/f复合物和光合电子传递)相关的基因在PBR-1中普遍上调。Chen等人在中认为，ROS过量藻类引起的对藻类的抑制主要与编码PSI、PSII和电子传递的基因的表达降低有关，因此这些基因在PBR-1中的表达增加可能是藻类的自适应原因。此外，这些基因的表达水平也有所上调(e.g.,atpA-atpH编码ATP合酶、rbcL和rbcS编码二磷酸核酮糖-羧化酶为关键酶，gdhA、glnA、gltS-D、GDH2编码谷氨酰胺/谷氨酸合酶)可提高二氧化碳的利用和氮的同化，这有助于增强传质和营养去除。因此，应用藻类-菌群通过开发活性污泥系统PBR-1可能有利于藻类对环境冲击的抵抗力。有趣的是，NR作为参与同化硝酸盐还原的基因在PBR-1中消失，表明NH4+-N的同化是ABA系统中吸收氮的唯一途径，而NO2--N和NO3--N不能被藻类吸收（表S3)。因此，在ABA系统中，通过同化和硝化反硝化可以有效去除氮。此外，根据QS相关基因注释，PBR-1中除激活子外的QS活性更明显。S11)，表明上调QS相关基因的表达可能发挥了活性污泥中藻类与不同细菌之间的聚集和增强共生效应的促进作用。

3.8吡啶的生物降解和脱氮机理

基于以上结果，提出了通过硝化-反硝化共代谢过程同时提高吡啶和氮去除率的可能机制。如图8所示，外部光照促使藻类聚集在ABA的表层，通过光合作用产生溶解氧（DO）。然后通过藻类的光合氧化在ABA表层形成了一个好氧区，适合于吡啶的好氧生物降解和硝化等好氧生物过程。硝化细菌分布在藻类周围，通过硝化作用将吡啶释放的NH4+-转化为NO2--和NO3--。据报道，在传统的ABS系统中，一些氨氧化细菌可能会被光照抑制。ABA可以提供一个阴凉的环境，在那里一些光抑制菌种，如氨氧化细菌可以躲在藻类后面。随着好氧生物降解和表层硝化作用对DO的快速消耗，ABA内层形成了缺氧/厌氧区，反硝化细菌分布在该区。反硝化细菌可以利用包括吡啶、吡啶生物降解的中间体和藻类分泌在内的有机碳源将NO2--和NO3--转化为N2。因此，硝化-反硝化过程可能是吡啶与吡啶生物降解释放氮有效共代谢的原因。与其他系统不同的是，吡啶的更多产物类别表明ABA内好氧、厌氧和厌氧生物过程的共存和整合。

图8 PBR-1中硝化-反硝化共代谢同时降解和脱氮的机制：ABA在有氧和缺氧/厌氧生物过程中的微环境。

4.结论

通过接种预培养的藻类-细菌共生体系到活性污泥中，构建了ABA系统，其中Limnothrix的关键参与以及活性污泥中存在的多样性物种导致了ABA的形成。ABA系统中硝化-反硝化作为一种共代谢过程增强了吡啶和氮的同时去除。特别是，与传统ABS系统相比，ABA系统中TN去除效率可保持在80%以上。从吡啶中氮的去除过程揭示了与吡啶的矿化、同化、硝化和反硝化相关的过程。在ABA中，好氧和厌氧/无氧生物过程的共存在微生物代谢和转录水平上得到确认。此外，ABA系统主要排放藻类-细菌生物量、O2和N2，导致温室气体几乎零排放，能源消耗极低。本研究开发的ABA系统具有协同废水回收和碳中和多功能，为同时去除含氮有机化合物和氮提供了新的思路。

环境影响

这项研究为同时去除含氮有机化合物和氮的藻类-细菌聚集体（ABA）系统提供了新的线索。ABA系统是通过将预培养的藻菌菌群接种到活性污泥中构建的。硝化-反硝化作为共代谢过程，增强了吡啶和氮的同时去除。ABA中需氧和缺氧/厌氧生物过程的共存在微生物代谢和转录水平上得到了证实。ABA系统主要排放藻类-细菌生物量、O2和N2，导致温室气体排放近乎零，能耗极低，显示出协同废水回收和碳中和的多重功能的巨大潜力。

附录A。支持信息

与本文相关的补充数据可以在doi:10.1016/j.jhazmat.2023.132390.的在线版本中找到。