简介：菌藻共生系统被认为是市政和工业废水处理的有前途的生物技术。最近，通过在暴露在自然阳光下的测序间歇式反应器（SBR）中的细胞自聚集，开发了一种新型藻类-细菌颗粒，其表现出优异的沉降性并克服了难以从处理过的废水中回收常规藻类和/或细菌污泥的缺点（Huang等人，2015a）。此后，许多研究人员非常关注这种藻-细菌颗粒共生系统的形成和性能。据报道，与细胞外聚合物物质（EPS）桥接的丝状细菌负责在阳光下形成藻类细菌颗粒（He等人，2018）。


与传统的好氧颗粒污泥（AGS）相比，藻类在藻类颗粒中的生长导致更好的总氮（TN）和磷酸盐（PO4-P）去除效率（Liu等人，2017年，Zhang等人，2018年）。此外，许多微藻种类被注意到为含油微生物（脂质含量>20%）（Meng等人，2009）。与传统AGS中35.4 mg/g-SS的最大生物柴油产量相比，藻类的生长显着提高了藻类细菌颗粒中的生物柴油产量（66.2 mg/g-SS）（Liu等人，2018）。因此，藻菌颗粒因其优异的污泥沉降性、优异的除营养物质、同时生产高附加值的藻类细菌颗粒等优点，正成为废水处理的有前途的生物技术。


本研究的目的是研究光强度对藻类-细菌AGS系统中溶解氧分布、脂质产生和生物群落的影响。记录藻类-细菌颗粒的特征和形态，以便更好地了解造粒过程中的现象和机制。通过确定颗粒内的营养物质（化学需氧量或COD，N和P）去除，生物活性（氧气摄取和产生速率）和DO分布来评估藻类-细菌颗粒系统的性能。分析了不同光强度条件下藻类-细菌颗粒中脂质含量及其组成。还监测了生物群落（细菌和真核生物）的变化，以阐明藻类细菌颗粒所涉及的机制。期望本工作将为藻菌颗粒体系在实践中的性能提升和能耗降低提供科学和有意义的参考。


丹麦Unisense微电极研究系统的应用


使用直径为10μm的氧气微电极（OX-10，Unisense，Denmark）测量第110天取自R0、R1、R2、R3、R4和R5的颗粒表面下不同深度的局部DO浓度。颗粒的直径分别为1.4、1.6、1.8、2.8、3.2和3.6毫米。将所有颗粒置于500 ml玻璃烧杯的底部，烧杯中含有500 ml合成废水（DO=8–9 mg-O2/L），温度为25°C。然后将玻璃烧杯中的颗粒暴露于与其相应反应器相同照度的光照下。使用微操作器以>20μm的空间分辨率精细调整电极尖端的位置。微电极的直径远小于颗粒的直径，因此其尺寸对内部结构和相关DO浓度的影响可以忽略不计。微电极的校准在每次颗粒测试之前和之后进行。

图1：在120天的运行过程中，六个反应器中平均粒径（a）、MLSS（b）和叶绿素（c）的变化。六个反应器的光照强度分别为：R0（无照）、R1（45μmolm−2 s−1）、R2（90μmolm–2 s−2）、R3（135μmolm-2 s−3）、R4（180μmolm-2 s−1。

图2：六个反应器运行期间COD（a）、TP（b）、NH4-N（c）、TIN（d）去除和出水NO3-N（e）、NO2-N（f）浓度的变化。六个反应器的光照强度分别为：R0（无照）、R1（45μmolm−2 s−1）、R2（90μmolm–2 s−2）、R3（135μmolm-2 s−3）、R4（180μmolm-2 s−1。

图3：在操作（a）期间颗粒的生物活性（SOUR和SOPR）的变化，在第110天的熄灭（b）和点亮（c）期间来自六个反应器的颗粒在不同深度的DO分布。六个反应器的光照强度分别为：R0（无照）、R1（45μmolm−2 s−1）、R2（90μmolm–2 s−2）、R3（135μmolm-2 s−3）、R4（180μmolm-2 s−1。

图4：第120天来自六个反应器的藻类细菌颗粒的脂质含量和生产力。六个反应器的光强度如下：R0（无光照）、R1（45μmolm−2 s−1）、R2（90μmolm–2 s−2）、R3（135μmolm-2 s−3）、R4（180μmolm-1）和R5（225μmolm-2 s−1。

图5：第100天R0-R5颗粒中家族水平（a）的优势细菌和属水平（b）的真核生物的丰度。六个反应器的光照强度分别为：R0（无照）、R1（45μmolm−2 s−1）、R2（90μmolm–2 s−2）、R3（135μmolm-2 s−3）、R4（180μmolm-2 s−1。


总结：藻类细菌颗粒在不同光照强度下在光SBR中成功培养。光照强度可能是与藻类-细菌颗粒的脂质合成和生物活性相关的关键因素之一，在良好的细菌-藻类共生系统中同化藻类可以提高氮和磷的去除效率。光照强度≥180μmolm−2 s−1可显著抑制NOB，在225μmol−2 s–1时可明显积累NO2-N。不同光照强度颗粒中的生物群落表现出显著差异，功能细菌（Comamonadaceae和Nitrosomonadaceae）和藻类（Navicula和Stigeoclonium）在强光照射下富集。