3.6.微生物群落和功能微生物的分布

分析了微生物群落結(jié)構(gòu)，研究了ABA系統(tǒng)中的微生物組成。如圖所示S9，藻門包括藍(lán)藻（45.0%）和綠藻（9.8%），反映了一種藻細(xì)菌特征，即藻類構(gòu)成了藻細(xì)菌生物量的大部分，支持菌落在藻球中的生長(zhǎng)。此外，變形菌門的相對(duì)豐度為27.7%，這在處理吡啶廢水中曾被發(fā)現(xiàn)是最主要的門。

在屬的水平上，PBR-1中ABA系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)藻類屬?gòu)淖畛踅臃N的小球藻轉(zhuǎn)變?yōu)槁菪澹@是一種典型的藍(lán)細(xì)菌。然而，經(jīng)過(guò)75天后，小球藻的豐度減少到4.4%。已有報(bào)道稱，螺旋藻等藍(lán)細(xì)菌在廢水處理系統(tǒng)中可能會(huì)擊敗小球藻等真核微藻，這與本研究一致。此外，據(jù)報(bào)道螺旋藻可能充當(dāng)核心或形成交織的墊狀結(jié)構(gòu)以困住其他微生物。norank_Burkholderiales、norank_Myxococcaceae和Aquabacterium的相對(duì)豐度分別為4.5%、3.4%和3.1%。據(jù)報(bào)道，Aquabacterium是與反硝化作用相關(guān)的物種。屬于Burkholderiales目的硝化藻屬據(jù)報(bào)道能夠同時(shí)參與氨氧化和亞硝酸鹽還原。此外，Myxococcaceae可以參與硝酸鹽和亞硝酸鹽的還原，而Myxococcaceae據(jù)發(fā)現(xiàn)與Nitrosomonas和Nitrospiras在活性污泥中呈正相關(guān)。此外，Paracoccus（0.7%）也是ABA系統(tǒng)中的優(yōu)勢(shì)成分之一。已發(fā)現(xiàn)Paracoccus能夠利用難降解的污染物作為電子供體進(jìn)行反硝化。因此，螺旋藻在ABA球體結(jié)構(gòu)的形成中發(fā)揮了關(guān)鍵作用，具有光合層和各種功能菌群的協(xié)同作用。

圖6 PBR-1中ABA的FISH圖像：組合圖像(a)、大部分細(xì)菌(b)、藻類(c)、反硝化細(xì)菌(d)和硝化細(xì)菌(e)。

基于上述DO和pH梯度的結(jié)果（圖2），可以推斷藻類，如小球藻和螺旋藻，位于ABA的表層。硝化細(xì)菌，如屬于Burkholderiales目的Nitrosomonas屬，以及屬于變形菌門的需氧降解吡啶的細(xì)菌（屬于變形菌門Proteobacteria門），應(yīng)分布在接近藻類的地方，以利用藻類光合作用產(chǎn)生的溶解氧。此外，反硝化細(xì)菌，如Paracoccus和Aquabacterium，可能位于ABA的內(nèi)層，那里的溶解氧水平較低。FISH分析顯示了ABA中功能微生物的空間分布。如圖6a所示，藻類（綠色）主要分布在ABA的表層，這對(duì)于進(jìn)行光合作用獲得照明非常有利。然而，反硝化細(xì)菌（藍(lán)色）分布在內(nèi)層，那里缺乏豐富的氧氣。圖6c-e顯示，硝化細(xì)菌（紫色）位于與藻類相同的位置，有助于通過(guò)硝化利用光合作用產(chǎn)生的溶解氧。

3.7轉(zhuǎn)錄組學(xué)分析和酶活性測(cè)定

3.7.1吡啶的生物降解、硝化作用和反硝化作用

圖7 ABA系統(tǒng)中氮代謝和光合作用的分子調(diào)控網(wǎng)絡(luò)與吡啶的生物降解相配合。用基因名稱（PBR-0 vs PBR-1）的熱圖顯示了不同代謝途徑中存在差異表達(dá)的基因。光系統(tǒng)I；peaA-O：光系統(tǒng)A-D：細(xì)胞色素b6/f復(fù)合物；光合電子傳遞；光系統(tǒng)II；atpA-H：ATP合酶：卡爾文-本森循環(huán)（Rubisco）；gdhA、glnA、gltS-D、GDH2：谷氨酰胺/谷氨酸合酶；pyrB-E：吡啶降解；napA-C：硝酸鹽還原酶、nirS、norB-Z：亞硝酸鹽還原酶/一氧化氮還原酶。所有基因的描述見(jiàn)表S3。

圖7顯示了ABA系統(tǒng)中的微生物代謝機(jī)制和基因表達(dá)。通過(guò)將預(yù)培養(yǎng)的藻類-細(xì)菌共生體引入活性污泥，同化、硝化和反硝化可以共存為無(wú)需添加額外碳源的氮轉(zhuǎn)移途徑。首先，通過(guò)利用O2和NO3-作為電子受體，將吡啶-N通過(guò)吡啶生物降解轉(zhuǎn)化為NH4+-N。與PBR-0相比，pyrB和pyrE編碼的吡啶降解在PBR-1中上調(diào)并且僅在PBR-1中表達(dá)，表明了更高效和多樣化的吡啶生物降解。然后，NH4+-N可以通過(guò)硝化轉(zhuǎn)化為NO2--N和NO3--N，而NO2--N和NO3--N通過(guò)異養(yǎng)反硝化作用轉(zhuǎn)化為N2。如圖S10所示。參與硝化-反硝化的關(guān)鍵酶，包括AMO、HAO、NAR、NIR、NOR和N2OR只存在于PBR-1中。參與反硝化酶的基因，包括napA、napB、napC、nirS、norB、norC和nosZ，僅在PBR-1中表達(dá)。相反，在PBR-0中它們沒(méi)有表達(dá)。因此，硝化-反硝化在PBR-1的ABA系統(tǒng)中對(duì)吡啶和氮的去除起到了關(guān)鍵作用。

3.7.2 ABA系統(tǒng)的同化、光合作用活性和群體感應(yīng)

雖然藻-菌群引入活性污泥后，氮轉(zhuǎn)移途徑發(fā)生了顯著變化，但ABA系統(tǒng)可以很好地維持藻類與細(xì)菌之間的共生關(guān)系。藻類與細(xì)菌對(duì)氮源的競(jìng)爭(zhēng)不明顯，但形成了穩(wěn)定的協(xié)同除氮模式，并保持良好。如圖7所示。光合作用相關(guān)基因(e.g.,與光系統(tǒng)I（PSI）、光系統(tǒng)II（PSII）、ATP合酶、細(xì)胞色素b6/f復(fù)合物和光合電子傳遞)相關(guān)的基因在PBR-1中普遍上調(diào)。Chen等人在中認(rèn)為，ROS過(guò)量藻類引起的對(duì)藻類的抑制主要與編碼PSI、PSII和電子傳遞的基因的表達(dá)降低有關(guān)，因此這些基因在PBR-1中的表達(dá)增加可能是藻類的自適應(yīng)原因。此外，這些基因的表達(dá)水平也有所上調(diào)(e.g.,atpA-atpH編碼ATP合酶、rbcL和rbcS編碼二磷酸核酮糖-羧化酶為關(guān)鍵酶，gdhA、glnA、gltS-D、GDH2編碼谷氨酰胺/谷氨酸合酶)可提高二氧化碳的利用和氮的同化，這有助于增強(qiáng)傳質(zhì)和營(yíng)養(yǎng)去除。因此，應(yīng)用藻類-菌群通過(guò)開(kāi)發(fā)活性污泥系統(tǒng)PBR-1可能有利于藻類對(duì)環(huán)境沖擊的抵抗力。有趣的是，NR作為參與同化硝酸鹽還原的基因在PBR-1中消失，表明NH4+-N的同化是ABA系統(tǒng)中吸收氮的唯一途徑，而NO2--N和NO3--N不能被藻類吸收（表S3)。因此，在ABA系統(tǒng)中，通過(guò)同化和硝化反硝化可以有效去除氮。此外，根據(jù)QS相關(guān)基因注釋，PBR-1中除激活子外的QS活性更明顯。S11)，表明上調(diào)QS相關(guān)基因的表達(dá)可能發(fā)揮了活性污泥中藻類與不同細(xì)菌之間的聚集和增強(qiáng)共生效應(yīng)的促進(jìn)作用。

3.8吡啶的生物降解和脫氮機(jī)理

基于以上結(jié)果，提出了通過(guò)硝化-反硝化共代謝過(guò)程同時(shí)提高吡啶和氮去除率的可能機(jī)制。如圖8所示，外部光照促使藻類聚集在ABA的表層，通過(guò)光合作用產(chǎn)生溶解氧（DO）。然后通過(guò)藻類的光合氧化在ABA表層形成了一個(gè)好氧區(qū)，適合于吡啶的好氧生物降解和硝化等好氧生物過(guò)程。硝化細(xì)菌分布在藻類周圍，通過(guò)硝化作用將吡啶釋放的NH4+-轉(zhuǎn)化為NO2--和NO3--。據(jù)報(bào)道，在傳統(tǒng)的ABS系統(tǒng)中，一些氨氧化細(xì)菌可能會(huì)被光照抑制。ABA可以提供一個(gè)陰涼的環(huán)境，在那里一些光抑制菌種，如氨氧化細(xì)菌可以躲在藻類后面。隨著好氧生物降解和表層硝化作用對(duì)DO的快速消耗，ABA內(nèi)層形成了缺氧/厭氧區(qū)，反硝化細(xì)菌分布在該區(qū)。反硝化細(xì)菌可以利用包括吡啶、吡啶生物降解的中間體和藻類分泌在內(nèi)的有機(jī)碳源將NO2--和NO3--轉(zhuǎn)化為N2。因此，硝化-反硝化過(guò)程可能是吡啶與吡啶生物降解釋放氮有效共代謝的原因。與其他系統(tǒng)不同的是，吡啶的更多產(chǎn)物類別表明ABA內(nèi)好氧、厭氧和厭氧生物過(guò)程的共存和整合。

圖8 PBR-1中硝化-反硝化共代謝同時(shí)降解和脫氮的機(jī)制：ABA在有氧和缺氧/厭氧生物過(guò)程中的微環(huán)境。

4.結(jié)論

通過(guò)接種預(yù)培養(yǎng)的藻類-細(xì)菌共生體系到活性污泥中，構(gòu)建了ABA系統(tǒng)，其中Limnothrix的關(guān)鍵參與以及活性污泥中存在的多樣性物種導(dǎo)致了ABA的形成。ABA系統(tǒng)中硝化-反硝化作為一種共代謝過(guò)程增強(qiáng)了吡啶和氮的同時(shí)去除。特別是，與傳統(tǒng)ABS系統(tǒng)相比，ABA系統(tǒng)中TN去除效率可保持在80%以上。從吡啶中氮的去除過(guò)程揭示了與吡啶的礦化、同化、硝化和反硝化相關(guān)的過(guò)程。在ABA中，好氧和厭氧/無(wú)氧生物過(guò)程的共存在微生物代謝和轉(zhuǎn)錄水平上得到確認(rèn)。此外，ABA系統(tǒng)主要排放藻類-細(xì)菌生物量、O2和N2，導(dǎo)致溫室氣體幾乎零排放，能源消耗極低。本研究開(kāi)發(fā)的ABA系統(tǒng)具有協(xié)同廢水回收和碳中和多功能，為同時(shí)去除含氮有機(jī)化合物和氮提供了新的思路。

環(huán)境影響

這項(xiàng)研究為同時(shí)去除含氮有機(jī)化合物和氮的藻類-細(xì)菌聚集體（ABA）系統(tǒng)提供了新的線索。ABA系統(tǒng)是通過(guò)將預(yù)培養(yǎng)的藻菌菌群接種到活性污泥中構(gòu)建的。硝化-反硝化作為共代謝過(guò)程，增強(qiáng)了吡啶和氮的同時(shí)去除。ABA中需氧和缺氧/厭氧生物過(guò)程的共存在微生物代謝和轉(zhuǎn)錄水平上得到了證實(shí)。ABA系統(tǒng)主要排放藻類-細(xì)菌生物量、O2和N2，導(dǎo)致溫室氣體排放近乎零，能耗極低，顯示出協(xié)同廢水回收和碳中和的多重功能的巨大潛力。

附錄A。支持信息

與本文相關(guān)的補(bǔ)充數(shù)據(jù)可以在doi:10.1016/j.jhazmat.2023.132390.的在線版本中找到。