利用增强群体信号作用的异养硝化-好氧反硝化细菌-藻类好氧颗粒污泥技术提升国内废水处理效率

《Journal of Environmental Sciences》：Boosting domestic wastewater treatment with quorum signal-augmented heterotrophic nitrification-aerobic denitrification bacterial-algal aerobic granular sludge

通过引入外源信号分子C8-HSL增强异养硝化-好氧反硝化（HN-AD）菌群与微藻的共生关系，显著提升ABGS系统总氮（TN）去除效率24.51%，改善污泥结构稳定性，并富集功能菌群。研究结合高通量测序、环境因子关联分析及qPCR验证，揭示C8-HSL通过调控napA、nirK/nirS基因表达及代谢通路优化微生物群落功能。

　　

张倩|聂碧香|杨晨曦|魏福|邓琳|陈峥|华思雨

重庆工业大学化学与化学工程学院，中国重庆400054

摘要

通过添加异养硝化-好氧反硝化（HN-AD）细菌强化的好氧细菌-藻类颗粒污泥（ABGS）作为一种新型共生技术，其处理效率波动且性能不稳定，主要原因是共生关系不稳固。本研究提出了一种通过引入外源信号分子来增强细菌-藻类共生的创新方法。同时，利用高通量相关性和宏基因组测序技术来阐明信号分子的增强机制。结果表明，信号分子的添加使细菌-藻类共生系统中的总氮（TN）去除效率提高了24.51%。扫描电子显微镜（SEM）分析显示，添加信号分子后，好氧颗粒污泥（AGS）变得更加致密，稳定性显著提高。高通量测序显示，信号分子富集了反硝化细菌（Hydrogenophaga, Pseudoxanthomonas, Thauera, Zoogloea）和有机降解菌Desulfomicrobium，优化了微生物多样性并增强了氮/有机物的去除效果。环境因素的相关性分析表明，C8-HSL的添加有助于特定属的富集和功能激活。宏基因组分析揭示，信号分子通过调节基因表达和相关代谢途径增强了系统的反硝化性能。定量聚合酶链反应（qPCR）分析进一步证实，信号分子上调了napA, nirK和nirS基因的表达。napA基因表达的增加促进了好氧反硝化（NO??-N→NO??-N），而nirK和nirS基因表达的增加加速了亚硝酸盐还原（NO??-N→N?）。本研究旨在为实施先进的细菌-藻类共生技术提供理论和实践基础。

引言

目前，大量生活废水的排放管理不善且经常未经处理，导致居住环境和当地生态系统受到严重污染和破坏。这种情况对社区的和谐与可持续发展产生了不利影响（Li等人，2024年）。传统的废水处理技术通常需要较大的土地面积，建设及运营成本较高，且操作程序复杂。好氧颗粒污泥（AGS）系统所需的空间比传统活性污泥系统少33%；然而，其曝气能耗相对较高（Benatti等人，2025年）。因此，迫切需要新型的、节能的、环保的、稳定的、高效的生活废水处理技术。

好氧细菌-藻类颗粒污泥（ABGS）技术结合了AGS的优点，并通过藻类和细菌之间的协同作用进一步改善了污泥沉降性能（Yang等人，2025年），同时促进了废水中营养物质的去除（Wang等人，2024c；Yu等人，2025年）。藻类的光合作用降低了曝气能耗（Chen等人，2022b；Ma等人，2024年），使ABGS成为符合绿色、低碳和可持续发展目标的下一代废水处理技术。然而，传统的微生物和藻类菌株对氨氮的耐受性有限，处理时间较长，系统稳定性较差。运行不稳定常常导致颗粒污泥分解（Xu等人，2024年），总氮（TN）去除率较低（约50%），需要进一步改进。来自极端环境的微生物为这一领域提供了有前景的技术途径。Chen等人（2022a）成功从极端环境中分离出了异养硝化-好氧反硝化（HN-AD）微生物菌株，并构建了一个混合细菌菌群。该菌群在极端条件下表现出强劲的生长能力和较高的污染物去除效率。然而，当引入藻类-细菌共生AGS系统时，HN-AD细菌导致污染物去除率和系统稳定性出现显著波动，这是由于与微藻的共生关系不稳定所致。解决这一不稳定性是一个紧迫的任务。

研究表明，细菌和微藻之间的共生关系可能受化学信号调控，群体感应（QS）分子在跨界通讯中起着关键作用（Tang等人，2024年）。例如，Amin等人（2015年）发现，Sulfitobacter属分泌的植物激素吲哚-3-乙酸作为一种信号分子，可诱导硅藻细胞裂解，从而维持共生平衡。此外，澳大利亚红藻Delisea pulchra产生的呋喃酮类物质可作为QS信号类似物，与杀菌细菌的酰基-高丝氨酸内酯（AHL）受体蛋白竞争结合，从而抑制QS信号的产生并减轻自我损伤（Manefield等人，2002年）。Ni等人（2024年）报告称，外源C4-HSL在低温条件下增强了活性污泥系统的微生物通讯、能量代谢和氮去除效率。同样，Tang等人（2015年）发现，外源C6-HSL和C8-HSL显著提高了厌氧氨氧化菌的活性，C6-HSL还显著提高了生长速率，分别使铵氮（NH??-N）去除效率提高了35%和20%。在我们之前的研究中，我们证明了C8-HSL可以促进HN-AD细菌与Chlorella之间的共生关系（Qin等人，2025a）。然而，该研究主要针对高氨氮废水，并探讨了信号分子对HN-AD细菌与Chlorella共生相互作用的影响。当前系统不仅包含HN-AD细菌和Chlorella，还包含AGS。鉴于处理目标和系统配置的不同，C8-HSL是否也能类似地提高这种新型系统中的污染物去除率和系统稳定性仍有待探讨。

因此，本研究构建了一个包含HN-AD细菌的新型ABGS系统，并创新性地引入了外源信号分子。研究目标包括：（1）评估C8-HSL对HN-AD细菌–Chlorella共生AGS系统中污染物去除效率和系统稳定性的增强效果；（2）研究C8-HSL对微生物群落结构优化和功能微生物富集的调控作用；（3）通过环境参数的相关性分析确认信号分子的关键强化作用；（4）利用宏基因组分析和定量聚合酶链反应（qPCR）阐明C8-HSL增强基因表达和代谢途径的机制。

实验装置

实验装置包括一个序批反应器（SBR），如图1所示。SBR由双层丙烯酸柱构成，外层作为水浴保温套。加热棒调节反应器温度，保持在25 ± 2 °C。反应器的有效工作体积为5 L。反应器底部装有圆盘形微孔曝气器，通过空气泵进行曝气。曝气速率由...

不同系统中添加信号分子前后污染物去除性能的比较

图2展示了添加外源信号分子前后ABGS系统的碳和氮去除性能。最初，在添加外源信号分子后，TN去除率在8-10天内保持不稳定。但随着运行时间的延长，X1系统的TN去除率趋于稳定，而S1系统虽然有轻微波动，但在35天后也趋于稳定。添加C8-HSL被认为有助于稳定...

结论

本研究表明，有针对性的信号分子添加显著提升了ABGS系统的性能和稳定性。关键的是，引入的信号分子显著提高了TN去除效率，增加了24.51%，同时增强了颗粒污泥的结构完整性。高通量测序显示，信号分子富集了反硝化细菌（Hydrogenophaga, Pseudoxanthomonas, Thauera, Zoogloea）和有机降解菌Desulfomicrobium

CRediT作者贡献声明

张倩：撰写 – 审稿与编辑，资金获取，概念构思。聂碧香：撰写 – 初稿撰写，数据整理。杨晨曦：撰写 – 初稿撰写，数据整理。魏福：验证，正式分析。邓琳：验证，数据整理。陈峥：验证，监督。华思雨：监督，正式分析。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能会影响本文工作的财务利益或个人关系。

致谢

本研究得到了自然科学基金（编号CSTB2023NSCQ-MSX0412）、重庆市教育委员会科学技术研究计划（编号KJQN202401111）、重庆工业大学研究生教育高质量发展项目（编号gzlcx20233164）以及重庆工业大学科研创新团队培养计划（编号2023TDZ009）的支持。