藻類-細菌共生（ABS）系統中的光合氧化主要是通過形成好氧環境來增強污染物的生物降解，而硝化反硝化的作用往往被忽視。在本研究中，利用藻類和活性污泥（PBR-1）開發了一種藻類-細菌聚集體（ABA）系統，以實現吡啶和氮的同時去除。在PBR-1中，高達150 mg·L-1的吡啶在48 h的水力停留時間內可以被完全去除。此外，總氮（TN）的去除效率保持在80%以上。硝化-反硝化是脫氮的關鍵過程，在180μmol·m2·s1條件下，硝化反硝化對TN的去除率為79.3%。此外，通過ABA系統中的硝化-反硝化共代謝，吡啶和氮的同時去除得到增強。在代謝和轉錄水平上揭示了PBR-1的綜合生物過程，包括光合作用、吡啶生物降解、碳和氮同化以及硝化反硝化。熒光原位雜交分析表明，藻類和好氧物種位于表層，而反硝化菌位于內層。微電極分析證實了ABA的微環境具有溶解氧和pH梯度，這有利于同時去除吡啶和氮。最后在ABA的作用下，闡明了硝化反硝化過程中吡啶和脫氮的機理。對于熒光原位雜交（FISH）分析，在第75天從PBR-1中提取ABA樣品，并使用薄刀片將ABA切割成橫截面。此后，根據Lukumbuzya等人制備樣品。[19]：使用以下探針：由TAMRA標記的NSO190，對氨氧化β變形菌特異性；Ntspa662用VIC標記，靶向所有硝基螺菌；PAR1457由太平洋藍標記，用于識別反硝化菌；和覆蓋大多數細菌的Cy5標記的EUB338。藻類可以通過葉綠素的熒光進行觀察。使用共聚焦激光掃描顯微鏡（CLSM）（A1 HD25-TI2-U，Nikon，Japan）觀察熒光。使用微電極自動化系統（PA2000，Unisense，Denmark）測量光相期間ABA內的DO和pH分布。

1.前言

吡啶因其廣泛使用和高溶解性，在制藥、殺蟲劑、橡膠、油漆、焦化和石油等行業中經常遇到嚴重污染。吡啶作為一種具有代表性的N-雜環化合物，由于其致癌、致畸和致突變特性，如果處理不當，有可能對生物體和生態系統造成重大危害。各種物理化學技術，包括物理吸附、萃取、氧化和微波輻射，已被用于從廢水中去除吡啶?？紤]到高能耗和高成本，這些物理化學方法經常用于吡啶廢水的預處理。事實證明，生物處理是處理各種頑固污染物的一種環保且具有成本效益的選擇。然而，由于吡啶的高毒性和頑固性，厭氧工藝往往受到工藝穩定性差和去除率低的限制，對實際應用吸引力較小。一些研究報道了吡啶在好氧條件下的生物降解。然而，由于吡啶的高揮發性，傳統的氣泡曝氣方法可能導致曝氣成本增加和嚴重的空氣污染。此外，在好氧生物降解系統中，500mg·L?1吡啶在高通氣條件下可在4h內完全降解，而吡啶和NH4+的高負荷嚴重抑制了硝化作用。因此，找到一種能夠同時實現有效吡啶降解和脫氮的替代方法既是當務之急，也是具有挑戰性的。

藻細菌共生（ABS）系統具有無曝氣光合氧化、可實現能源中和和碳中和等競爭優勢，是傳統廢水處理技術的一種很有前途的替代方案。在ABS系統中，藻類可以通過光合作用為異養微生物在沒有任何外部氧氣供應的情況下進行有氧生物降解和礦化有機污染物。據報道，基于微藻（小球藻）和細菌（副球菌）的ABS系統可以通過光合作用將雜環化合物轉化為NH4+來提高N的轉化效率。人們普遍認為在固氮和同化方面藻類起著重要作用，藻類提供了意想不到的脫氮潛力。從理論上講，考慮到藻類光合作用產生的氧氣足以進行硝化作用，在ABS系統中，NH4+的去除可以通過同化和硝化來實現。結果表明，在碳酸氫鈉飼料ABS系統中，藻類-細菌群落將81–85%的50mg·L-1NH4+-N轉化為NO3--N，而總氮（TN）去除率低于20%。因此，為了去除硝化過程中產生的NO3-或NO2-，通常需要對ABS系統的出水進行進一步的反硝化處理。此過程通常需要添加外部電子供體，導致操作成本的增加。此外，由于難降解有機物的存在，ABS系統中的藻類同化以及硝化和反硝化過程將受到嚴重抑制?？紤]在好氧顆粒污泥（AGS）系統中實現COD和氮的同時去除，污泥集料可能有利于提高TN的去除率。AGS中的高效脫氮是通過整合多種氮轉化途徑實現的，這歸因于各種功能微生物的協同作用，基于不同的氧化還原條件在顆粒內部分層。因此，如果能夠開發出具有各種功能微生物的藻細菌聚集體（ABA），則可以在不曝氣的情況下同時去除吡啶和TN。此外，還證明了在亞硝酸鹽或硝酸鹽等電子受體的存在下，活性污泥系統中有機污染物的生物降解可以得到增強。因此，可以認為ABA系統中的硝化反-硝化作用可以提高吡啶的去除率。然而，很少報道ABA系統同時去除頑固污染物和氮。此外，還沒有提出通過參與ABA系統中的硝化反硝化來促進吡啶和氮去除的機制。特別是，尚未對藻類細菌聚集體中的微生物分布進行研究。因此，形成ABA以實現有效的吡啶和氮去除的可行性需要研究和驗證。

因此，本研究的總體目標是開發一種ABA系統，實現吡啶和氮的同時去除。在ABA體系中，對無曝氣和外碳源條件下吡啶和氮的去除性能進行了評價。在光序批式反應器中，研究了光照強度、附加碳源和硝酸鹽等不同條件對去除性能的影響。進行了元轉錄分析和關鍵酶活性測定，以揭示和驗證所提出的微生物代謝機制。采用熒光原位雜交（FISH）和微電極自動化系統對ABA的微環境進行了研究。此外，還揭示和驗證了ABA對吡啶的生物降解和氮轉移的多種途徑。最后，提出了提高吡啶和氮同時去除的硝化反硝化作用的可能機制