Chemical Engineering Journal｜贾妍艳团队在菌藻颗粒污泥系统处理水产养殖废水研究上取得进展

中山大学生态学院贾妍艳团队通过在序批示生物反应器（PSBR）中长期稳定培养菌藻颗粒污泥（microalgal-bacterial granular sludge，MBGS），探讨了优化MBGS系统的关键条件，揭示菌藻微生物协同作用在含有复合污染物的水产养殖废水中的去除效能与作用机制。通过调控细菌-微藻比例（BMR）以及光照强度，探讨MBGS在高盐度和抗生素污染条件下的形成机制及应用潜力，为水产养殖废水处理提供了一种低成本、高效率、可持续的解决方案。

随着水产养殖业的快速发展，废水排放引发严重生态问题，其中高浓度有机物、氮、磷及抗生素的积累不仅导致水体富营养化，还加剧耐药性基因传播，威胁生态与公共健康。传统污水处理技术因难适应高盐度和多污染物环境而效果受限。近年来，菌-藻共生系统凭借其高效除污、抗盐性及环保特点备受关注，其中MBGS作为新兴技术展现出独特优势，其利用藻类的光合作用耦合细菌的代谢作用，可协同降解污水中的化学需氧量（Chemical Oxygen Demand, COD），氮（Nitrogen, N），磷（Phosphorus, P）和抗生素。

本研究探究优化菌藻颗粒污泥在造粒过程中的关键培养条件，通过长期监测生物反应器中多种生化指标，即污泥浓度、叶绿素a、胞外聚合物、颗粒粒径和颗粒疏水性等，结果表明在菌藻接种比为5和光照强度为1800 lx时，MBGS系统（PSBR-2）显著产生更多EPS以促进造粒过程（图1）。每日监测生物反应器对碳、氮、磷的去除效能，结果表明，MBGS系统（PSBR-2）对于碳、氮、磷的去除效能显著，最终确定菌藻接种比（BMR）为5和光照强度为1800 lx作为培养MBGS的条件（图2 a-c）。

图1 菌藻污泥颗粒化不同阶段生物反应器中EPS组分含量（a）,（e），（i）；3D-EEMs光谱图（b）-（d），（f）-（h），（j）-（l）。

对比以前的研究，本研究的MBGS生物反应器实现了在盐度为0.3%的条件下，对化学需氧量（COD）为90.2%、对氨氮（NH4+-N）为77.1%、以及对磷酸盐（PO43--P）为54.8%的高效稳定去除效能，同时对抗生素恩诺沙星（ENR）去除率可达60%（图2 d-g）。

图2 MBGS形成过程中生物反应器对污染物的去除效能（a）COD，（b）NH4+-N和（c）PO43--P；MBGS处理水产养殖废水中复合污染物的去除效能（d）COD，（e）NH4+-N，（f）PO43--P和（g）ENR。

此外，本研究通过菌藻微生物群落变化、菌藻微生物共现网络分析、线性判别分析（LEfSe）、以及矩阵相关性（Mantel test）等多种分析方法，结果表明，亚硝酸盐氧化细菌（如 Nitrosomonas ）、反硝化细菌（如 Thauera 和 Comamonas ）和聚磷菌（如 Acinetobacter ）和小球藻（如 Trebouxiophyceae 和 Chlorophyceae ）为关键微生物（图3），其合作相互作用促进了MBGS的造粒过程，并确保MBGS系统去除水产养殖废水复合污染物的稳定性能（图4）。

图3 细菌微生物在（a）门水平和（b）属水平的群落结构；真菌微生物在（c）门水平和（d）属水平的群落结构。