类型a：学术研究报告

作者及机构
本研究的通讯作者为南京理工大学环境与生物工程学院的Dan Chen和Jinyou Shen，第一作者为Xiaoyu Zhang。合作作者包括Na Jiang、Xinying Hou、Yan Li、Yixuan Wang等，均来自南京理工大学。研究发表于《Water Research》第257卷（2024年），文章编号121754，于2024年5月8日在线发表。

学术背景
本研究属于环境工程与微生物技术交叉领域，聚焦于藻菌颗粒污泥（Algal-Bacterial Granular Sludge, ABGS）在废水处理中的应用。传统ABGS培养存在启动周期长、能耗高、颗粒稳定性差等问题，而胞外聚合物（Extracellular Polymeric Substances, EPS）被认为是促进颗粒化的关键因素。N-甲基吡咯烷酮（N-Methylpyrrolidone, NMP）是一种高极性有机溶剂，广泛用于锂电池制造等行业，其废水处理面临毒性抑制和脱氮效率低的挑战。本研究首次提出通过调控NMP负荷诱导紧密型EPS（Tightly-Bound EPS, TB-EPS）分泌，实现ABGS的光驱动快速颗粒化（Photogranulation），并探究其代谢机制与污染物去除效能。

研究流程与方法
1. 实验设计与反应器运行
- 采用两组管式连续流光生物反应器（PBR-0和PBR-1），工作体积2.5 L，光照强度90 μmol·m⁻²·s⁻¹（12 h光/暗循环），温度26±2°C，水力停留时间（HRT）48小时。
- PBR-1分阶段调节NMP负荷（75→150 mg·L⁻¹·d⁻¹），PBR-0作为对照（恒定75 mg·L⁻¹·d⁻¹）。接种污泥包含NMP降解菌（Paracoccus sp. NJUST38）、小球藻（Chlorella sorokiniana）和市政活性污泥（1:1:50比例）。

1. 颗粒化过程监测

   • 形态学分析：通过倒置显微镜（Nikon Ti-U）和扫描电镜（SEM）观察颗粒结构演变，结合微电极系统（Unisense PA2000）测定颗粒内溶解氧（DO）和pH梯度。
     
   • 沉降性能：测定污泥容积指数（SVI₅）和平均粒径，评估颗粒化效果。
     

2. EPS与代谢分析

   • EPS提取与组分测定：采用热提取法分离S-EPS、LB-EPS和TB-EPS，通过Lowry法和酚硫酸法分别定量蛋白质（PN）和多糖（PS），三维荧光光谱（3D-EEM）表征组分变化。
     
   • 宏基因组测序：对PBR-0和PBR-1的污泥样本（第60天）进行DNA测序（Illumina平台），通过KEGG和GO数据库注释功能基因，解析NMP降解与氮代谢路径。
     

3. 污染物去除效能

   • 监测NMP、化学需氧量（COD）和总氮（TN）的去除效率，并通过HPLC和分光光度法分析中间产物。
     

主要结果
1. 颗粒化动力学
- 在NMP负荷125 mg·L⁻¹·d⁻¹时，ABGS平均粒径达3.3 mm，SVI₅低至67±2 mL·g⁻¹，表现出优异沉降性。SEM显示颗粒内核致密，表面光滑（图1a, S2）。
- 丝状微生物（如链霉菌Streptomyces和细鞘丝藻Leptolyngbya）构成的网状结构是颗粒化的前提，但成熟颗粒中其丰度下降（图5a-b），表明其作用为“骨架支撑”而非主体组分。

1. TB-EPS的关键作用

   • NMP负荷100–150 mg·L⁻¹·d⁻¹刺激TB-EPS分泌，PN和PS含量分别从87.7±8.8 mg·g⁻¹和44.9±6.7 mg·g⁻¹升至257.8±17.6 mg·g⁻¹和177.3±6.8 mg·g⁻¹（图4b）。3D-EEM显示类色氨酸和腐殖酸物质增加（图4c），低PN/PS比（1.15±0.01）促进颗粒规则化。
     

2. 污染物去除性能

   • NMP和COD去除率分别达99%和90%以上（图2a-b）。TN去除率从47.9±4.7%（75 mg·L⁻¹·d⁻¹）提升至70.7±8.4%（125 mg·L⁻¹·d⁻¹），归因于颗粒内好氧/缺氧分层的协同脱氮（图6）。
     
   • 宏基因组分析显示，NMP降解基因（如hyuAB、cobA）和反硝化基因（napA、nirK）在PBR-1中显著上调（图5c），证实颗粒化促进代谢多样性。
     

3. 实际废水验证

   • 处理锂电池生产废水（30倍稀释后），NMP和COD去除率分别达80%和70%，TN去除率30%（图2d-f），证明技术可行性。
     

结论与价值
1. 科学意义
- 揭示了NMP负荷通过TB-EPS调控驱动ABGS颗粒化的机制，提出“丝状骨架+EPS诱导”的双阶段颗粒化模型（图7）。
- 阐明了颗粒内光合产氧与反硝化的协同代谢路径，为高毒性含氮有机废水处理提供新思路。

1. 应用价值
   
   • 无需曝气的光驱动颗粒化技术可降低能耗50%以上，适用于锂电池等高氮工业废水处理。
     
   • 颗粒化提升生物质沉降性，便于资源回收（如藻类脂质提取）。
     

研究亮点
1. 首次将NMP毒性应激转化为颗粒化诱导因素，通过TB-EPS精准调控实现ABGS快速形成。
2. 结合微电极和宏基因组技术，解析了颗粒内微环境与功能基因的响应机制。
3. 开发的分阶段NMP负荷调控策略，为光驱动颗粒化技术的工程化应用提供参数依据。

其他发现
- 高NMP负荷（150 mg·L⁻¹·d⁻¹）导致颗粒解体，但低PN/PS比的TB-EPS仍能维持小颗粒稳定性，表明PS的粘附作用对结构修复至关重要。
- 蓝藻（Cyanobacteria）在颗粒外层富集（Chla/Chlb比升高），其光合产氧能力（SOPR达1.82±0.15 mg-O₂·g⁻¹·h⁻¹）支撑内层反硝化（图3）。