生活污水排放量巨大，截至2022年底，全国城市生活污水排放量为639.3亿m3，处理行业碳排放量超过53.0 Mt CO2e/年。依赖高能耗净化污染物的传统生活污水处理工艺，已难以满足“减污降碳”和资源化利用国家战略需求。因此，亟需新型低碳绿色处理技术。
相比较而言，微藻处理技术因其低碳高效高资源化利用优势，在“污水绿色生产工艺”方面，展现良好应用潜力。但是当前微藻处理技术研究多限于实验室水平，缺乏相关反应器现场中试尺度运行研究，难以有效指导该技术规模化应用。针对这一瓶颈问题，中国科学院成都生物研究所合成微生物组与污水资源化创新团队在已有研究基础上，在海天水务集团股份公司支持下，于西南某市政污水处理厂，开展室外260 L管式光生物反应器（Tubular photobioreactor,TPBR）藻菌体系（Microalgae consortium,MC）中试处理研究，并对比常规曝气柱式光生物反应器（Aeration photobioreactor,APBR）处理过程，探索小球藻和污染物负荷联合影响下微生物共现网络特征，解析微生物群落演替及氮循环功能变化。
图 1 异养硝化/好氧反硝化作用于藻菌脱氮过程中的协同与竞争关系
在TPBR中，随着实际生活污水进水量从50 L增加到150 L，MC从悬浮体系转换成微藻-微生物生物膜（Microalgae-microbial biofilm,MMBF），并保持良好处理性能。通过微藻和微生物共进化形成协同处理体系，TPBR保持高效去污效率（图2）。经过24 h间歇循环处理后，出水稳定达到《城镇污水处理厂污染物排放标准》（GB 18918-2002）I级A类标准。当MMBF受进水冲击脱落后，TPBR处理效率下降。
图 2 管式光生物反应器和曝气柱式光生物反应器污染物去除效果
对藻际环境微生物群落分析发现，在稳定MMBF体系中，微藻与进水污染物负荷共同塑造MC共现模式，并呈现随机网络特征。进一步研究发现MMBF生物膜结构能同时增强藻菌异养同化和协同好氧脱氮作用，并且适度增加进水污染负荷会促进微生物种群多样性和相互作用强度，但是当超出处理限额后则会引发氮循环微生物失衡和MMBF非稳态。此外，表现阶段功能的异养硝化-好氧反硝化（Heterotrophic nitrification-aerobic denitrification,HN-AD）细菌是维持MMBF平衡的关键。特异阶段功能的改变影响了它们与微藻的共生关系，在稳定处理阶段，微藻生物量的积累和O2释放促进好氧反硝化作用，从而维持Stage_I（K00368）和Stage_II（K02567和K02568）高反硝化相关基因丰度，强化藻菌协同脱氮。同时，MMBF中氮循环微生物在固氮（K02586、K02588和K02591）、有机氮代谢（K01915和K05601）和同化硝酸盐还原（K02567和K02568）方面表现出较强代谢功能。
图 3TPBR中MMBF藻菌体系微生物种群共现网络和氮循环相关基因分析
上述研究成果发表于SCI一区TOP期刊Bioresource Technology (https://doi.org/10.1016/j.biortech.2024.131151)。硕士研究生李盼为第一作者，李欣副研究员为通讯作者。本研究得到兰州重离子加速器设备支持，以及四川省科技支撑计划、成都市重点研发计划、中国科学院青年促进会与“西部之光”项目等联合资助。