高品質生物流化床填料MBBR廠家藻生物膜減少微生物源溶解性有機氮的排放

　　高品質生物流化床填料MBBR生產廠家藻生物膜減少微生物源溶解性有機氮的排放。

　　成果簡介

　　本文揭示了藻生物膜在水處理過程中減少微生物源有機氮的潛力和機制，推動了藻生物膜工藝在水處理領域的發展。

　　全文速覽微生物源溶解性有機氮(mDON)的排放容易導致水體富營養化和有害水華的發生，所以亟需在污水處理過程中限制其產生和排放。近年來，新興的藻生物膜工藝因其高效的營養物(氮、磷等)去除效率廣受關注，但其是否能應用于mDON的控制尚不清楚。

　　本研究以傳統活性污泥工藝作為比較基準，評價了藻生物膜在處理市政污水過程中mDON的產生和利用效果，并利用高分辨率質譜(傅里葉回旋共振質譜)和宏基因組學技術解析了mDON的分子特征及mDON在藻生物膜中的產生和利用機制。當進水為不含DON的模擬市政污水時，藻生物膜的mDON產生量比活性污泥少83%。

　　當進水為活性污泥出水(藻生物膜相當于三級處理工藝的情況)，藻生物膜消耗了至少72%的外源mDON并主要減少了蛋白質和氨基糖類物質。在上述兩類進水條件下，藻生物膜最終都產生了更多樣化的氫碳化合物和單寧類似物。

　　RDA和網絡分析強調了菌藻相互作用(如互養共棲)在減少mDON排放及減弱其生物有效性中的作用。此外，基于宏基因組學的代謝重構表明藻生物膜中的藍藻Limnothrix和Kamptonema促進了mDON的吸收、氨化和重復利用以滿足共生體系對氨基酸、維他命和輔因子生物合成的強烈氮同化需求并因此推動了mDON的消耗。

　　本文證實了藍藻主導的藻生物膜工藝無論是作為二級工藝還是三級工藝均能夠有效減少生物可利用的mDON排放，為將來建立有效的富營養化控制手段提供了啟示。

　　引言

　　目前大部分污水處理廠(尤其那些采用了生物強化營養去除工藝的污水處理廠)能有效地去除溶解的無機氮(DIN)，而溶解的有機氮(DON)已成為出水殘留氮中不可忽略的部分(25–95%)。

　　微生物來源的DON(即mDON)構成了傳統活性污泥(AS)工藝中廢水DON的主要部分。這些mDON物質，例如氨基酸，是消毒副產物的前體物質。

　　更重要的是，活性污泥產生的mDON具有很高的生物利用度，可促進藻類的生長，但這些mDON對基于活性污泥法的工藝中難以去除。

　　因此，開發基于非活性污泥的 mDON控制技術對于減輕DON污染具有實際意義，有利于進一步減少氮排放并最終減輕水生環境中的富營養化。

　　藻類生物膜(AB)是真核藻類或藍細菌為主的附著式生長共生體系，包括各種自養和異養微生物。

　　近年來，由于其去除營養的潛力，引起了學界的廣泛關注并聚焦在污染物的生物修復，和生物產品(例如生物燃料)的制造方面。

　　與傳統的基于活性污泥的硝化反硝化工藝相比，AB具有許多實際優勢，包括高養分利用率和低能耗。因此在未來嚴格的污水排放標準下，AB有望替代活性污泥工藝。

　　此外，AB可以用作三級處理工藝或側流處理工藝作為現有污水處理廠氮強化去除的升級方案。但是，AB的當前應用仍然集中在去除DIN上，而對其性能和DON去除的效果和特性了解甚少。

　　有機質是藻類和光養群落的重要的碳和營養來源。最近的研究實驗表明，Chlamydomonas reinhardtii純培養和Selenastrum capricornutum和細菌共生體可以利用DON生長。然而目前關于藻-細菌共生形成和利用mDON知之甚少。

　　此外，盡管已經研究了AB的微生物結構，但其代謝特性，尤其是涉及含氮有機物代謝的代謝特性，仍未得到充分研究。

　　傅里葉變換離子回旋共振質譜(FTICR-MS)已被廣泛用于溶解有機物的分子表征。結合高通量測序技術，能夠建立mDON的分子組成，微生物群落及功能三者的關系。生物信息學算法的進展能夠基于草圖基因組(MAG)進行精確的代謝重建，從而使得確定單個微生物在mDON代謝中的特異性作用成為可能。

　　圖文導讀

　　出水mDON

　　Figure 1. Nitrogen removal performance of reactors. (a) Effluent concentration of total dissolved nitrogen (TDN). (b) Effluent concentration of microbe-derived dissolved organic nitrogen (mDON). The letters above the boxplots indicate the significance of variances estimated from the Tukey HSD test at the confident level of adjusted p-value <0.05. The reactors with the same letter were not significantly different from each other concerning the mean value. Copyright 2021, American Chemical Society.

　　在總氮去除方面，AB1反應器的性能優于AS反應器(圖1a)，出水總氮濃度(1.87±0.26 mg·L–1)顯著低于AS反應器(6.06±0.71 m·L–1)。鑒于合成廢水中不存在DON，AB1和AS反應器的所有DON均為mDON。

　　相比AS產生的mDON的濃度(1.20±0.36 mg·L-1，圖1b)，藻生物膜反應器組AB1產生的mDON濃度要低得多(0.21±0.16 mg·L–1)。這一濃度水平也遠低于富營養化湖泊中報告的濃度(0.53–1.16 mg·L–1)。

　　表明AB具有減輕廢水處理產生的富營養化風險的潛力。藻生物膜反應器組AB2的進水是AS的出水，以測試AB是否可以利用AS產生的mDON。結果表明，AB2使DON濃度降低了72.3%，所得濃度與AB1產生的濃度相似(圖1b)。

　　mDON組成

　　Figure 2. Van Krevelen diagrams compare (a) nitrogenous compounds produced by algae biofilm (AB) and activated sludge (AS) when feeding with synthetic wastewater, and (b) AS-derived nitrogenous compounds before and after the treatment by AB. Larger dots indicate the stably present formulae while smaller dots indicate the stochastically present formulae. The types of molecules include (1) lipids, (2) proteins/amino sugars, (3) carbohydrates, (4) unsaturated hydrocarbons, (5) lignin, (6) tannins, and (7) condensed aromatics. Copyright 2021, American Chemical Society.

　　FTICR-MS用于表征mDON的分子組成(圖2)。盡管AB1產生的mDON濃度較低，但AB1(800個分子式)的mDON化學多樣性與AS(749個分子式)相當。

　　但是，AB1和AS一致產生的mDON分子只占總量的10.5%。AB1和AS中分別存在311個(38.9%)和229個(30.6%)穩定產生的mDON分子(圖2a)。

　　AS產生了更多的富含氮的碳水化合物和蛋白質/氨基糖類似物，這些化合物導致了AS產生的mDON的高生物利用度(MLBL=49.8%)，將會導致富營養化。相反，AB1產生更多的難降解的木質素和不飽和烴類似物，其生物利用度低得多(MLBL=22.2%)。

　　根據FTICR-MS分析(圖2b)，AB2消耗了大量AS產生的蛋白質/氨基糖和碳水化合物樣類似物，并大量產生了木質素和不飽和烴樣DON。

　　所得的DON組成與AB1的更相似，這表明AB可以以某種方式將外源mDON轉化為AB特有的mDON。

　　由于篇幅和版權關系此處省略圖3和圖4(主要論證微生物組成對mDON形成的關系)。

　　機理探究

　　Figure 5. Comparisons of nitrogen acquisition and metabolism (KEGG pathway map00910) between the algae biofilm (AB) and activated sludge (AS). The colors of the bar plots indicate the hosts of corresponding functional genes at the phylum level. Copyright 2021, American Chemical Society.

　　藍細菌Limnothrix增強了AB1中的氮同化作用。AB1中氨氮(amt)和硝酸鹽氮(nrtABC)轉運蛋白基因的相對豐度比AS中的相對豐度高2.9-6.6倍。

　　同時，氨通過硝酸鹽/亞硝酸鹽的還原反應(narB和nirA)轉化而來，這表明藻類對氨氮的需求量很大。相反，由于不存在氨單加氧酶(amoABC)，通過硝化作用損失氨氮的可能性較小。與增加的氨氮吸收相一致，藍細菌主導的谷氨酸合成酶(GLU)的相對豐度提高了3.4倍。促進的谷氨酸合成可以最終促進微生物的生長，這與藍細菌的生長優勢是一致的(圖3c)。

　　盡管如此，AB1中以變形菌主導的谷氨酰胺(glnA)和谷氨酸(gltBD)的合成潛力仍與AS中的相當。我們推測氮是在生物膜內循環的，因為已證明異養細菌能夠受益于藍細菌的交叉供養而維持其增殖。因此，mDON的排放至水體的量受到了限制。

　　AB2中DIN同化潛力的增加低于AB1。這是因為以AB1為主的Limnothrix具有三拷貝的轉運蛋白基因，而AB2中主導的Kamptonema和Phormidium僅具有雙拷貝。Limnothrix在DIN吸收方面的優勢使其在富含氨氮的廢水中占主導地位。

　　但是，在富含DON但缺乏氨氮的條件下，Kamptonema可以增強羥胺還原(hcp)，甲酰胺水解(amiF)和固氮(nifDKH)以獲得氨。增強的氨化潛力在一定程度上表明了AB2能夠利用AS產生的mDON。

　　至于有機氮(基于TCDB數據庫)的跨膜轉運，只有AB1比AS的基因豐度稍高23%。但是AB2中有許多與氨基酸攝取有關的基因有很高的豐度。

　　例如，yhdWXYZ和FraCD基因的相對豐度分別比AS中的相對豐度分別高57和15倍。這可能有助于AB2對蛋白質/氨基糖類mDON的消耗(圖2b)。

　　此外，高親和力的尿素轉運蛋白(urtABCDE)和多胺吸收系統(potABD)只在AB中檢測到。AB可能通過重新吸收尿素和多胺(兩種常見的含氮代謝物)來加速氮循環，從而減少了相關的mDON排放。

　　Figure 6. Comparisons of nitrogenous organic matter metabolic potentials between metagenome-assembled genomes in algae biofilm (AB) and activated sludge (AS). (a) Nonmetric multidimensional scaling analysis (NMDS) displays the overall variability. (b) Number of unique and shared KEGG Modules. (c) Similarity percentages analysis displays the enrichment of KEGG Modules driving the functional dissimilarities. Copyright 2021, American Chemical Society.

　　在AB和AS之間，DON代謝功能譜圖有顯著差異(圖6a)。但是，AB1和AB2之間沒有觀察到顯著差異，這表明盡管AB1和AB2中的微生物群落有所不同(圖3)，但它們在含氮物質代謝方面的功能潛力卻是相似的。

　　這種現象支持了AB微生物群在DON代謝中的高功能冗余性。圖6b分別列舉了AB和AS中涉及氮物質代謝的134個和137個KEGG模塊。它們中的大多數由AB和AS微生物群落共享，而分別只有六個和九個KEGG模塊分別隸屬于AB和AS。為了進一步探索AB與AS不同的功能，進行了SIMPER分析(圖6c)。值得注意的是，所有顯著不同的模塊在AB中的豐度都比在AS中更高。

　　這表明AB在氮有機物代謝方面具有壓倒性的遺傳投資優勢，尤其是輔助因子，維生素和氨基酸的生物合成和代謝。為了維持這些生物合成活動的氮需求，AB菌群必須保持大量的氮供應。這可能是AB必須通過回收利用mDON的原因。

　　小結

　　我們的發現表明藻生物膜不僅可以顯著減少mDON的形成還可以有效地消耗AS產生的mDON。

　　此外，通過增加對生物可利用度高的mDON(即類似蛋白質/氨基糖和碳水化合物的mDON)的吸收，氨化和回收利用，AB菌群最終使排放的mDON的可生物利用度降低，從而有效減小由mDON引起的富營養化風險。藍細菌而非真核藻在AB中占主導地位，并且在減少mDON排放和生物利用度中起主要作用。

　　藍藻主導的比真核微藻主導的AB更適合于廢水DON的控制，特別是對于處理低C / N比廢水有很大優勢。

　　此外，藍細菌的相對豐度與mDON的減少呈正相關(見原文)。增加藍細菌的豐度或增強藍細菌的活性可能會進一步減少mDON排放。然而，這項研究強調了藍細菌和其他細菌在最小化mDON排放方面的協同作用。

　　藻類和細菌之間的相互交叉進給加速了藻-細菌群落中的養分利用，反之亦然。這些種間相互作用促進了mDON的回收和mDON的清除。

　　因此，建立支持藻類生長的共生細菌群落也很重要。在實際廢水處理中，進水中可生物降解的mDON和惰性DON化合物往往同時存在。已經發現基于藻類的技術可以有效降解傳統AS工藝中對生物降解呈惰性的微污染物(例如藥物)。

　　耦合高度生物多樣性和廣泛存在的藻-細菌協同相互作用，AB為難降解的DON降解提供了額外的降解途徑。在廣泛的氮需求的驅動下，AB可以迅速消耗惰性DON降解產生的生物可利用的中間體，特別是在反應時間允許的情況下。所以將來有必要研究處理實際廢水DON下AB的效果。

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