Effects of exogenous N-acyl-homoserine lactones on nutrient removal, sludge properties and microbial community structures during activated sludge process

外源N -酰基高絲氨酸內酯對活性污泥過程中養分去除、污泥特性及微生物群落結構的影響

來源：Chemosphere 255 (2020) 126945

 

摘要核心發現

 

本研究通過向活性污泥系統添加兩種群體感應信號分子（C6-HSL與C8-HSL），揭示了其對污泥絮體結構、代謝功能及污水處理效率的調控機制：

 

1.絮體結構重塑：

 

信號分子使絮體平均尺寸增大23%（圖2a），分形維數降低（圖2b-d），表明絮體不規則性與孔隙率提升；

 

2.代謝功能增強：

 

EPS蛋白（PN）含量最高提升69.9%（C6-HSL組），多糖（PS）增加42.3%（圖3），促進微生物聚集；

 

3.脫氮效率提升：

TN去除率提高12.8%（C6-HSL組），NH??-N去除率增加9.5%（正文3.1節）；

 

4.微環境異質化：

Unisense微電極證實絮體內部形成缺氧區（DO梯度變化達75.5%），驅動反硝化過程（圖6）。

 

研究目的

 

1.解析QS調控機制：

探究外源AHL信號分子（C6-HSL/C8-HSL）對活性污泥絮體（ASFs）物理結構及化學組成的調控作用；

 

2.量化工藝性能提升：

評估信號分子對COD、氮素去除效率及污泥沉降性的影響；

 

3.揭示微生物響應：

闡明信號分子驅動的微生物群落結構變化與功能基因表達關聯。

 

研究思路

 

1. 三組平行SBR反應器設計

 

對照組（R1）：基礎活性污泥系統；

 

實驗組（R2/R3）：分別添加2 μM C6-HSL（R2）與C8-HSL（R3）；

 

長期運行：30天穩態實驗（HRT=9.5 h，DO=3.0 mg/L，SRT=14 d）。

 

2. 多尺度分析框架

 

宏觀性能：監測COD、NH??-N、TN去除率（公式計算）；

 

絮體特性：

 

激光粒度儀測尺寸分布（圖2a）；

 

圖像分析法計算分形維數（圖2b-d）；

 

化學組成：

 

EPS分層提取（LB/TB-EPS）及PN/PS定量（圖3）；

 

3D-EEM熒光光譜與FTIR表征EPS化學結構（圖4-5）；

 

 

微環境解析：

 

Unisense氧微電極測量絮體內部DO梯度（圖6）；

 

微生物群落：

 

16S rDNA測序分析菌群結構（圖7）及功能菌豐度（表2）。

 

 

關鍵數據及研究意義

1. 絮體結構數據（圖2）

 

數據：

 

R2組絮體粒徑＞200 μm占比增加37%（vs R1）；

 

分形維數D值：R1（1.72）＞ R2（1.58）＞ R3（1.63）。

 

意義：證實信號分子通過降低絮體規則性促進微生物聚集，為生物膜形成提供物理基礎。

 

2. EPS組成數據（圖3-5）

 

數據：

 

C6-HSL使LB-EPS中PN增加69.9%（圖3）；

 

3D-EEM顯示R2組色氨酸類物質熒光強度提升24%（Peak A，圖4）；

 

FTIR證實R2組LB-EPS新增1222 cm?1（S=O鍵）吸收峰（圖5a）。

 

意義：信號分子特異性調控EPS蛋白合成，增強絮體粘結能力。

 

3. 微生物群落數據（圖7，表2）

 

數據：

 

優勢菌門：WS6（R1:34.8% → R2:22.3%）、變形菌門（R2:32.5%）；

 

功能菌富集：

 

反硝化菌（DNB）Paracoccus豐度提升125%（R2）；

 

EPS產生菌Brevundimonas增加162%（R2）。

 

意義：AHLs通過富集功能菌群協調脫氮與絮體形成。

 

4. 處理性能數據（正文3.1節）

 

數據：

 

R2組TN去除率達86.5%（較R1提高12.8%），COD去除率＞90%。

 

意義：驗證QS調控可同步提升污染物去除效率與污泥沉降性。

 

丹麥Unisense電極的核心價值

技術突破

 

 

微尺度溶解氧圖譜：

 

采用Clark型氧微電極（尖端10 μm）繪制絮體內部DO梯度（圖6）：

 

200-300 μm絮體核心DO趨近0 mg/L（缺氧區）；

 

C6-HSL組氧傳質阻力增幅達53%（vs 對照組）。

 

動態過程解析：

 

實時捕捉絮體從好氧表面→缺氧核心的溶解氧衰減曲線（分辨率0.1 μmol/L）。

 

科學發現

 

1.缺氧微區驅動反硝化：

 

大尺寸絮體（＞200 μm）內部形成缺氧區（DO＜0.2 mg/L），為反硝化菌提供生態位（圖6）；

2.尺寸依賴效應：

 

絮體尺寸與氧傳質阻力呈正相關（R2=0.92），證實尺寸調控是優化微環境的關鍵杠桿；

3.EPS屏障效應：

 

EPS含量與DO梯度衰減率顯著正相關（R2=0.85），揭示EPS通過增加擴散阻力強化缺氧微區。

 

工程意義

 

工藝優化指導：

 

微電極數據證明控制絮體尺寸（200-300 μm）可最大化缺氧區比例，提升脫氮效率；

 

機制研究不可替代性：

 

傳統方法無法獲取絮體內部微米級DO分布，Unisense電極是解析空間代謝分區的唯一工具。

 

結論

 

1.絮體結構優化：

 

AHL信號分子通過促進EPS分泌增大絮體尺寸、降低規則性，提升污泥沉降性；

2.功能菌群富集：

 

C6-HSL顯著增加Paracoccus（DNB）和Brevundimonas（EPS產生菌）豐度；

3.微環境分區：

 

大絮體內部形成好氧-缺氧梯度，同步提升硝化與反硝化效率；

4.Unisense電極價值：

 

其高分辨率DO數據是揭示絮體內部代謝分區機制的決定性證據，為優化生物聚集體系提供新范式。

 

應用方向：該策略可推廣至高氮廢水處理，通過投加信號分子或調控絮體尺寸強化脫氮效能。

 

圖示關聯：

 

圖2：絮體尺寸分布與分形維數

 

圖3：EPS蛋白/多糖含量

 

圖4：EPS 3D-EEM熒光光譜

 

圖5：EPS FTIR官能團分析

 

圖6：絮體內部DO梯度（Unisense數據）

 

圖7：微生物群落結構

 

表2：功能菌群豐度與代謝功能