《Journal of Environmental Chemical Engineering》：Elucidating the mechanistic role of magnesium ions in driving microalgal-bacterial granular sludge formation: treatment performance, biomass properties, and interspecific interactions
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微藻-細菌絮體污泥（MBGS）的高效穩定形成受鎂離子（Mg2?）調控，補充30 mg/L Mg2?可顯著提升生物活性與生物量生產力，使氮磷去除效率分別提高15.18%和10.98%。Mg2?通過促進EPS分泌（尤其是疏水蛋白）和降低表面自由能，增大絮體粒徑并增強結構穩定性，同時通過調控微生物群落（如光能自養型微生物富集）和代謝通路（卟啉代謝與光合作用），優化MBGS功能與協同效應，為廢水處理系統提供新策略。
王趙趙|李東月|王亞欣|嚴琳娜|李博江
華北科技大學土木與建筑工程學院，中國唐山 063210
摘要
微藻-細菌顆粒污泥（MBGS）因其高效的污染物去除能力、碳中和的廢水處理效果以及環境可持續性而受到越來越多的關注。然而，快速形成具有功能性且穩定的MBGS仍然是一個長期存在的挑戰。補充Mg2+在解決這一問題上顯示出很大的潛力；然而，其背后的機制尚未得到充分理解。研究結果表明，添加Mg2+（濃度為15或30 mg/L）可以提高微藻和細菌的生物活性及生物量生產力，從而提升污染物去除效率。在添加30 mg/L Mg2+的情況下，氮和磷的最大去除效率分別提高了15.18%和10.98%。此外，Mg2+的添加促進了胞外聚合物物質（EPS，尤其是疏水性蛋白質）的分泌，并降低了表面自由能（SFE），使得MBGS的顆粒尺寸增大，結構更加穩定。微生物群落和代謝功能分析顯示，Mg2+顯著上調了關鍵功能基因（如chlH、CAO、PsaK、PsbA、PetA、PetF、atpF）及相關代謝途徑（如卟啉代謝、光合作用），這推動了光養菌（norank_o__Chloroplast, Desmodesmus）的選擇性富集。同時，種群結構的改變和種間協同作用的增強提高了與C/N/P代謝及EPS生物合成相關的功能基因的表達，從而使MBGS具有更優的生物功能和穩定的顆粒結構。本研究闡明了Mg2+在加速高效穩定MBGS形成中的機制作用，為MBGS系統的開發及可持續運行提供了寶貴的指導。
引言
隨著碳中和和碳峰值目標的提出，使用傳統活性污泥（CAS）工藝的污水處理廠產生的溫室氣體（GHG）排放（CO2、CH4和N2O）引起了全球越來越多的關注[1]、[2]。通過調節氧化還原環境（如厭氧、缺氧或好氧條件）來提高污染物去除效率，進一步增加了工藝的復雜性和運營難度[3]。此外，高成本的污泥處理方法不具備環境可持續性[4]。由于微藻-細菌共生系統的能源效率高且環保，相關研究逐漸增多[5]、[6]。與絮狀污泥相比，微藻-細菌顆粒污泥（MBGS）因具有更高的微藻保留能力而更受青睞[7]、[8]。在這種共生系統中，光養微生物吸收無機碳和營養物質用于生長和產氧，支持異養細菌進行有機物質降解和營養吸收，并產生二氧化碳[6]、[7]、[8]。MBGS作為一種替代方案，具有更高效的物質交換能力、更優的污染物去除效果以及更好的沉淀性能[7]、[8]。此外，微藻生物量的回收也更加容易，為下游資源回收提供了可行的方法[6]、[8]。
然而，快速形成高效穩定的MBGS仍然是系統建立和運行的實際障礙。在廢水處理過程中，MBGS的分解會破壞系統穩定性并降低生物處理效果[9]。研究表明，MBGS可以在自然或人工光照條件下，通過氣泡剪切序批反應器（SBR）從CAS或好氧顆粒污泥（AGS）中開發出來[8]、[10]。研究人員向CAS或AGS中接種外源微藻以促進MBGS的形成[11]、[12]，但需要較長的啟動期才能獲得成熟的MBGS[13]、[14]。此外，由于微藻生長失控和微生物協同作用不足，MBGS的功能性較低，導致生物處理效果不佳。結構松散的MBGS通常會在長期運行中分解，降低工藝穩定性[9]。一般來說，從AGS中開發MBGS比從CAS中更快，因為現有的微生物核可以促進微藻的附著和定殖。一些學者成功應用菌絲顆粒作為核來加速從游離微藻和活性污泥中形成MBGS[12]，但復雜的制備程序和高成本限制了其實際應用。
Mg2+對葉綠素合成、微藻生長和生理活動至關重要。補充Mg2+可以促進微藻增殖和代謝活動，有助于營養物質吸收并提高生物處理效果。由于Mg2+帶有正電荷，它們常被用來通過電荷中和和橋接作用促進微生物聚集和顆粒污泥的形成[15]、[16]、[17]、[18]。Mg2+與細菌細胞和生物聚合物結合，在胞外聚合物物質（EPS）基質中形成有機-無機復合體及陽離子連接[19]。此外，Mg2+對EPS的分泌有顯著影響，盡管其對EPS組成的具體貢獻仍有爭議。Li等人[19]報告稱，Mg2+主要增強了胞外多糖的分泌，促進了致密緊湊的AGS的形成。相比之下，Liu等人[20]發現Mg2+在AGS形成過程中增加了多糖和蛋白質的合成，并提高了顆粒中的微生物多樣性，從而提升了污染物去除效率[20]。在微藻-細菌共生系統中，最近的研究表明，Mg2+不僅促進了微藻生長和污染物去除效率，還增強了聚集作用，促進了更大的藻-細菌絮體的形成[17]。此外，還證實Mg2+能夠有效提高微藻生產力并富集功能性微生物群落[21]。
總體而言，這些研究表明Mg2+補充在獲得高效穩定的MBGS方面具有巨大潛力。然而，很少有研究關注其在形成過程中對MBGS功能性和穩定性的影響，尤其是在處理效果和生物量特性方面。此外，Mg2+補充如何調節微生物群落和相互作用仍需進一步闡明。本研究旨在通過Mg2+補充來改善MBGS的形成，并探索其背后的機制。研究目標包括：（1）探討Mg2+補充對MBGS生物活性和性能的影響；（2）評估Mg2+補充對MBGS物理化學性質和結構穩定性的影響；（3）分析Mg2+補充對MBGS微生物動態和種間相互作用的影響。預期這些結果將為快速形成MBGS以及開發穩定的MBGS系統提供新的見解。
實驗裝置與操作
MBGS的形成在三個有機玻璃圓柱體中進行，這些圓柱體代表光養SBR，有效體積為2.40 L（圖S1）（內徑：8.00 cm；高度與直徑之比為6.00）。向R2（添加15 mg/L）和R3（添加30 mg/L）中加入含有Mg2+（MgSO4）的廢水，而R1（不添加Mg2+，作為對照組）。外源Mg2+的添加量基于預實驗的結果確定，以最大化葉綠素a+b濃度（圖S2）。每個反應器的外部都持續受到光照
生物量變化與微生物活性
MLSS濃度、MLVSS濃度、微生物活性及污染物去除情況如圖1所示。R1、R2和R3中的MLSS濃度、MLVSS濃度以及葉綠素a+b/MLVSS濃度均呈現先增加后穩定的趨勢（圖1(a)）。R2和R3中的MLSS濃度分別為3.54 g/L、3.12 g/L、7.97 mg/g和4.02 g/L、3.55 g/L、9.04 mg/g，顯著高于對照組結論
本研究闡明了Mg2+在促進MBGS形成過程中的機制作用，尤其是在其功能性和穩定性方面。添加30 mg/L的Mg2+顯著提高了微藻和細菌的生物活性及生物量生產力（267.80 mg/(L·d)，進而使氮和磷的去除效率分別提高了15.18%和10.98%。此外，Mg2+還增加了MBGS的顆粒尺寸，并通過模擬EPS的作用增強了顆粒穩定性
CRediT作者貢獻聲明
李博江：方法學研究。嚴琳娜：撰寫、審稿與編輯、監督、數據管理。王亞欣：方法學研究。李東月：撰寫、審稿與編輯、驗證、數據分析。王趙趙：初稿撰寫、數據可視化、監督、方法學設計、資金申請、概念構思。
利益沖突聲明
作者聲明沒有已知的財務利益或個人關系可能影響本文的研究結果。
致謝
本研究得到了河北省自然科學基金（E2025209010）和華北科技大學科研基金的支持。
