本研究由同济大学环境科学与工程学院、水污染控制与绿色资源循环国家重点实验室的Shangguang Duanyang、Yang Libin（通讯作者）、Zhou Xuefei（通讯作者）等人完成，合作单位包括中国水产科学研究院渔业机械仪器研究所和福州大学环境与安全工程学院。论文于2026年发表在生物资源技术领域权威期刊《Bioresource Technology》上。
藻-菌颗粒污泥（Algal-Bacterial Granular Sludge, ABGS）作为一种实现碳中和污水处理的可持续范式，近年来受到广泛关注。与传统活性污泥法甚至好氧颗粒污泥（Aerobic Granular Sludge, AGS）相比，ABGS工艺具有增强的营养回收能力、降低的碳足迹以及高价值生物质生产等独特优势。然而，ABGS的工业化推广面临着颗粒化过程极为缓慢的瓶颈制约，通常需要数周甚至数月才能完成启动，这不仅增加了运行风险，还导致培养初期生物质流失和系统不稳定。
已有研究表明，添加物理载体或化学絮凝剂可以不同程度地缩短启动时间，但这些单一因素干预策略往往难以在快速启动与长期结构稳健性之间实现成本效益的最佳平衡。在众多非侵入性刺激手段中，弱静磁场（Static Magnetic Field, SMF）因其能够调节微生物酶活性并促进胞外聚合物（Extracellular Polymeric Substances, EPS）分泌而无二次残留的特点而备受关注。同时，镁离子（Mg²⁺）作为叶绿素的中心元素，对微藻光合活性和种间相互作用不可或缺，同时也是促进微生物聚集的阳离子桥联剂。
基于此，研究团队提出将SMF与Mg²⁺耦合的策略，假设SMF作为代谢促进剂上调粘附性蛋白类EPS的产生，而Mg²⁺则作为结构连接剂促进这些新分泌生物聚合物快速组装成致密稳定的基质。然而，该耦合策略在ABGS独特生物基质中的协同潜力此前尚未得到系统研究，其如何调控界面热力学的内在机理也不清楚。
本研究旨在：（1）评估SMF-Mg²⁺耦合对颗粒化动力学和系统性能的协同效应；（2）表征EPS组成、微生物群落结构和藻-菌相互作用的演变；（3）通过扩展的Derjaguin-Landau-Verwey-Overbeek（XDLVO）理论量化表面相互作用能量学；（4）建立连接物理-离子刺激与藻-菌聚集及快速颗粒化的综合机理框架。
研究设置了四个完全相同的光序批式反应器（Photo Sequencing Batch Reactors, PSBRs），有效工作容积2.5 L，高径比6。四个反应器采用不同配置平行运行：R0为空白对照（无SMF暴露，无Mg²⁺添加）；R1为单因素对照（仅添加10 mg/L Mg²⁺）；R2为单因素对照（仅施加5 mT SMF）；R3为耦合组（同时施加5 mT SMF和10 mg/L Mg²⁺）。这些参数基于前期实验室筛选和已有文献确定。
PSBRs在22±1℃恒温下运行，采用4小时循环周期（5分钟进水、220-229分钟曝气、1-10分钟沉降、5分钟排水）。沉降时间在启动期间从10分钟逐步缩减至1分钟，以提供选择压力，淘洗沉降性能差的絮状污泥。曝气量为2 L/min，同步进行150 rpm机械搅拌，溶解氧控制在2-3 mg/L，体积交换率50%，水力停留时间8小时，污泥停留时间约15天。光照由LED灯提供，平均光强约3500 lux，12小时光/暗交替。
接种污泥取自上海某污水处理厂曝气池，初始混合液悬浮固体浓度约2.8 g/L。小球藻（Chlorella）在BG11培养基中培养后，以约3.5×10⁵ cells/mL的浓度加入反应器。合成废水模拟低C/N比条件：COD 600 mg/L（乙酸钠）、NH₄⁺-N 100 mg/L、PO₄³⁻-P 10 mg/L及微量元素。R1和R3的废水中额外添加10 mg/L Mg²⁺（以MgSO₄·7H₂O形式）。
研究采用了全面的分析测试体系：常规水质指标（COD、TN、NH₄⁺-N、NO₃⁻-N、NO₂⁻-N、PO₄³⁻-P）和污泥特性指标（MLSS、MLVSS、SVI）按照标准方法测定；叶绿素a采用丙酮萃取法分析；EPS通过两步加热法分离为紧密结合型（TB-EPS）和松散结合型（LB-EPS）；蛋白质含量采用改良Lowry法测定，多糖含量采用苯酚-硫酸法测定；微生物活性通过比耗氧速率和比产氧速率反映。
此外，粒度采用激光粒度分析仪测定，形态采用扫描电子显微镜观察，EPS空间分布采用共聚焦激光扫描显微镜（Confocal Laser Scanning Microscopy, CLSM）观察，荧光组分通过三维激发-发射矩阵荧光光谱结合平行因子分析（Parallel Factor Analysis, PARAFAC）解析，官能团采用傅里叶变换红外光谱表征。表面热力学参数通过Zeta电位分析仪和接触角测量仪获取，并应用XDLVO理论进行界面相互作用能量学分析。第45天对各反应器样品进行高通量测序，分析细菌（16S rRNA V3-V4区）、藻类（18S rRNA）和真菌（18S rRNA V5-V7区及ITS区）的群落组成。
根据对照反应器R0中污泥特性指标的变化，颗粒化过程可分为三个阶段：絮状阶段（0-14天）、形成阶段（14-40天）和成熟阶段（40-60天）。
在絮状阶段，所有反应器的MLVSS浓度均出现一定程度下降，这主要归因于沉降时间逐步缩减导致的选择性淘洗。第10天时，R3的SVI₃₀降至84.2 mL/g，优于R0的101.3 mL/g、R1的88.1 mL/g和R2的87.2 mL/g。R3的平均粒径增至217.5 μm，居各反应器之首。
在形成阶段的关键节点——第14天，所有反应器平均粒径均达到约300 μm。但完全颗粒化的判定需同时满足粒径>300 μm和SVI₃₀/SVI₅>0.8两项指标。仅有R3的SVI₃₀/SVI₅比值在第14天达到0.88，标志着R3在14天内即实现了完全颗粒化，而R0、R1、R2分别需要25天、21天和17天。与对照相比，R3的颗粒化时间缩短了44.0%。
在成熟阶段（40-60天），R3颗粒展现出最优污泥特性：最大粒径2.8 mm、最高MLVSS浓度2.1 g/L、最高叶绿素a浓度1.4 mg/L、最优沉降性能（SVI₃₀/SVI₅=0.99，SVI₃₀=55.2 mL/g）。SEM观察显示，成熟颗粒表面有钟虫等原生动物聚集，内部存在大量孔隙和通道，表面光滑呈球形或椭圆形。CLSM图像显示，R2和R3颗粒中蛋白质和多糖主要分布在颗粒中心区域，有利于维持颗粒污泥稳定性。
R3的COD平均去除效率达95.1%，高于R0（90.2%）、R1（91.8%）和R2（92.6%）。所有反应器的NH₄⁺-N去除效率差异不显著，且未出现明显的NO₂⁻-N积累，表明ABGS系统具有良好的硝化性能。随着运行时间延长，各反应器出水NO₃⁻-N浓度呈显著下降趋势，TN去除效率相应增加，其中R3表现最优（78.6%），这与其较大粒径形成的内部厌氧/缺氧区有利于反硝化菌生长有关。R3对PO₄³⁻-P的平均去除效率超过80.0%（达到84.3%），主要通过生物同化途径实现，Mg²⁺诱导的化学沉淀仅起次要辅助作用。
第42天的测定结果显示，R3的SOUR（61.7 mg O₂/g SS·h）和SOPR（4.5 mg O₂/g SS·h）均显著高于其他反应器（p<0.01），为耦合刺激促进细菌呼吸和藻类光合作用提供了宏观生理学证据。
随着颗粒化进程，各反应器污泥的蛋白质（Protein, PN）含量逐渐增加，R3最终达到46.2 mg/g SS，显著高于R0（38.0 mg/g SS）、R1（39.1 mg/g SS）和R2（41.4 mg/g SS）。PN/PS比值变化趋势与PN含量相似（范围2.21-4.14）。值得注意的是，R3中PN的实际增量超过了R1和R2增量的数学加和，表明SMF与Mg²⁺对蛋白质类EPS的产生具有协同刺激效应，而非简单叠加。整个过程中各反应器多糖含量无显著波动。最终PN含量排序为R3（36.1 mg/g SS）> R2（32.2 mg/g SS）> R1（30.9 mg/g SS）> R0（30.0 mg/g SS），表明SMF促进了EPS分泌。
PARAFAC分析从EEM光谱中分离出三个独立组分：组分1（色氨酸和色氨酸蛋白类物质）、组分2（酪氨酸等蛋白类物质）和组分3（腐殖酸类物质）。R3中组分2的FI值达到710.4，组分3达到398.4，均显著高于其他反应器，表明SMF通过刺激色氨酸、芳香蛋白类物质和腐殖酸类物质的分泌来增强污泥颗粒化。FTIR分析显示，R3在3300 cm⁻¹和1639 cm⁻¹处的吸收峰强度增强，证实了蛋白质含量的增加，而1021 cm⁻¹处多糖C-O伸缩振动峰在各反应器中基本一致。
R3的Zeta电位最高（-11.30 mV），表明微生物间静电排斥力显著降低，有利于相互聚集。R3颗粒与水的接触角显著增加至87.71°，表明表面疏水性处于主导地位。XDLVO分析显示，R3的界面自由能（ΔGadh）为-81.13 mJ/m²，低于R0（-70.90 mJ/m²）、R1（-77.10 mJ/m²）和R2（-75.46 mJ/m²）。根据热力学理论，ΔGadh值越低，微生物间越容易发生粘附。
总势能曲线分析表明，R0、R1和R2的能垒分别在1.87 nm、1.90 nm和2.08 nm处，数值为403.51 KT、342.67 KT和184.77 KT，而R3在2.19 nm处的能垒仅为114.32 KT。R3能垒的绝对降低值显著大于R1和R2能垒降低值的理论叠加，验证了耦合策略对热力学景观的协同优化效应——SMF诱导富集的疏水性EPS增强了Lifshitz-van der Waals吸引力，而Mg²⁺压缩双电层减弱了静电排斥力，使净相互作用在更大分离距离处即转向吸引区。
在细菌属水平上，R3中Thauera（22.33%）、Pseudocanthomonas（14.69%）和Comamonadaceae科（17.47%）的相对丰度显著增加。相关性分析显示，EPS含量及TN、PO₄³⁻-P去除效率与Thauera和Comamonadaceae呈正相关。Thauera可在低C/N比下提高反硝化效率并促进EPS分泌，Comamonadaceae包含典型反硝化菌属。此外，R3中Flavobacteria的相对丰度逐渐增加至6.57%，该菌是具有强自聚集能力的EPS分泌菌，同时作为反硝化聚磷菌可同步去除TN和PO₄³⁻-P。
在藻类群落方面，由于定向添加，各反应器均检测到Chlorella，但R3中Chlorella_f_Chlorellaceae的相对丰度（21.58%）显著高于R0（12.35%）、R1（15.78%）和R2（16.97%），表明SMF能有效富集目标藻类。
在真菌群落方面，R2（35.66%）和R3（20.37%）系统中Geotrichum的相对丰度显著高于R0（2.57%）和R1（0.75%）。Geotrichum作为丝状真菌，其菌丝为絮体形成提供结构骨架，使细菌即使在EPS水平较低时也能通过直接结合维持于颗粒内。
本研究表明，SMF（5 mT）与Mg²⁺（10 mg/L）的协同物理-离子刺激有效突破了ABGS系统启动缓慢的瓶颈。耦合策略使完全颗粒化时间缩短至14天（较对照减少44.0%），形成的成熟颗粒具有优异的沉降性能和稳健的营养物去除能力（COD 95.1%、TN 78.6%、PO₄³⁻-P 84.3%）。
机理上，快速成熟通过双通路驱动：SMF作为代谢促进剂选择性富集Thauera等功能菌属并上调蛋白质类EPS的分泌，而Mg²⁺作为结构连接剂通过阳离子桥联作用将这些新分泌生物聚合物组装成致密基质。这一协同作用降低了总相互作用能垒（XDLVO验证），促进了藻-菌聚集和颗粒快速成熟。
技术经济评估进一步证实，该协同策略可将运行费用降低59%。快速启动、增强稳定性和高资源回收潜力的集成，使该策略成为推动ABGS基污水处理工业化应用的高度可扩展且可持续的解决方案。未来研究将致力于多参数梯度优化和实际市政废水的长期运行验证。
本研究的主要创新点包括：（1）首次在ABGS系统中验证了SMF与Mg²⁺的协同效应，揭示了物理刺激与离子刺激在加速颗粒化过程中的耦合机制，而非简单的效应叠加；（2）通过XDLVO理论量化了藻-菌表面相互作用能量学，从界面热力学角度阐明了耦合刺激降低能垒、促进聚集的内在机理；（3）建立了从微生物代谢调控（EPS分泌）到物理化学组装（阳离子桥联）再到热力学优化（能垒降低）的完整机理链条；（4）实现了44%的启动时间缩短与59%的运行费用降低，为该技术的工程转化提供了坚实的经济可行性依据。