生活污水排放量巨大，截至2022年底，全國城市生活污水排放量為639.3億m3，處理行業碳排放量超過53.0 Mt CO2e/年。依賴高能耗凈化污染物的傳統生活污水處理工藝，已難以滿足“減污降碳”和資源化利用國家戰略需求。因此，亟需新型低碳綠色處理技術。
相比較而言，微藻處理技術因其低碳高效高資源化利用優勢，在“污水綠色生產工藝”方面，展現良好應用潛力。但是當前微藻處理技術研究多限于實驗室水平，缺乏相關反應器現場中試尺度運行研究，難以有效指導該技術規模化應用。針對這一瓶頸問題，中國科學院成都生物研究所合成微生物組與污水資源化創新團隊在已有研究基礎上，在海天水務集團股份公司支持下，于西南某市政污水處理廠，開展室外260 L管式光生物反應器（Tubular photobioreactor,TPBR）藻菌體系（Microalgae consortium,MC）中試處理研究，并對比常規曝氣柱式光生物反應器（Aeration photobioreactor,APBR）處理過程，探索小球藻和污染物負荷聯合影響下微生物共現網絡特征，解析微生物群落演替及氮循環功能變化。
圖 1 異養硝化/好氧反硝化作用于藻菌脫氮過程中的協同與競爭關系
在TPBR中，隨著實際生活污水進水量從50 L增加到150 L，MC從懸浮體系轉換成微藻-微生物生物膜（Microalgae-microbial biofilm,MMBF），并保持良好處理性能。通過微藻和微生物共進化形成協同處理體系，TPBR保持高效去污效率（圖2）。經過24 h間歇循環處理后，出水穩定達到《城鎮污水處理廠污染物排放標準》（GB 18918-2002）I級A類標準。當MMBF受進水沖擊脫落后，TPBR處理效率下降。
圖 2 管式光生物反應器和曝氣柱式光生物反應器污染物去除效果
對藻際環境微生物群落分析發現，在穩定MMBF體系中，微藻與進水污染物負荷共同塑造MC共現模式，并呈現隨機網絡特征。進一步研究發現MMBF生物膜結構能同時增強藻菌異養同化和協同好氧脫氮作用，并且適度增加進水污染負荷會促進微生物種群多樣性和相互作用強度，但是當超出處理限額后則會引發氮循環微生物失衡和MMBF非穩態。此外，表現階段功能的異養硝化-好氧反硝化（Heterotrophic nitrification-aerobic denitrification,HN-AD）細菌是維持MMBF平衡的關鍵。特異階段功能的改變影響了它們與微藻的共生關系，在穩定處理階段，微藻生物量的積累和O2釋放促進好氧反硝化作用，從而維持Stage_I（K00368）和Stage_II（K02567和K02568）高反硝化相關基因豐度，強化藻菌協同脫氮。同時，MMBF中氮循環微生物在固氮（K02586、K02588和K02591）、有機氮代謝（K01915和K05601）和同化硝酸鹽還原（K02567和K02568）方面表現出較強代謝功能。
圖 3TPBR中MMBF藻菌體系微生物種群共現網絡和氮循環相關基因分析
上述研究成果發表于SCI一區TOP期刊Bioresource Technology (https://doi.org/10.1016/j.biortech.2024.131151)。碩士研究生李盼為第一作者，李欣副研究員為通訊作者。本研究得到蘭州重離子加速器設備支持，以及四川省科技支撐計劃、成都市重點研發計劃、中國科學院青年促進會與“西部之光”項目等聯合資助。