武汉科技大学季斌课题组Water Research：光强调节藻-菌颗粒污泥在污水处理中的糖原合成与除污效能
图文摘要
成果简介
近日，武汉科技大学季斌课题组在Water Research上发表了题为“Lightintensity-regulated glycogen synthesis and pollutant removal in microalgal-bacterial granular sludge for wastewater treatment”的研究论文(DOI:10.1016/j.watres.2024.122988)，探讨了不同光照强度对藻-菌颗粒污泥（MBGS）系统中微生物群落结构、糖原合成和污染物去除效率的影响，分析了光照变化对微生物群落和基因表达的影响，揭示了光照强度与糖原代谢及污染物去除之间的关系，表明藻-菌颗粒污泥通过基因调控糖原代谢来适应光照变化，从而维持除污性能。
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本研究探讨了不同光照强度（20、100、200和300 μmol/m²/s）对藻-菌颗粒污泥（MBGS）处理城市污水性能的影响，重点关注糖原积累和污染物去除效果。结果表明，光照强度显著影响微生物群落结构、糖原积累及污染物去除效率。在20 μmol/m²/s时，丝状蓝藻导致沉降性能差。随着光照增强，微生物群落向真核藻类转变，其中200 μmol/m²/s为最佳光照条件，有利于促进糖原合成和藻-菌协同作用，实现稳定的污染物去除。此外，这一光照强度下编码糖原分支酶的基因表达上调，进一步促进了糖原的积累。该研究成果为MBGS系统在城市污水处理和资源化应用提供了宝贵的思路。引言
全球水资源稀缺，使得污水净化的重要性日益凸显。非曝气藻-菌颗粒污泥（MBGS）因其在污染物去除和资源利用方面的潜力而受到广泛关注。光照强度是影响微藻生理活动的关键因素，进而影响MBGS系统中的糖原积累。糖原在微生物能量储存和释放中发挥着重要作用，并与污染物去除效率密切相关。然而，糖原与污染物去除之间的关系尚不明确。本研究将在不同光照强度下考察MBGS的性能和糖原变化，探索二者之间的关联机制，旨在为MBGS技术在城市污水处理中的实际应用提供支持与见解，推动该技术在污水处理与资源化领域的发展。
图文导读
形态变化与除污性能
Fig.1 Morphological and optical microscope images of microalgal-bacterial granular sludge at varied light intensities. Copyright 2024, Elsevier Inc.
在光强为20 μmol/m²/s时，丝状蓝藻丰度最高，但在200和300 μmol/m²/s时明显下降；相反，小球藻（Chlorella vulgaris）逐渐增多。COD的去除率随着光强的增加变化不大；磷酸盐的去除率在20 μmol/m²/s时最高；当光强从20 μmol/m²/s增加到100 μmol/m²/s时，氨氮的去除率显著提高。
糖原含量的变化
Fig.2 The glycogen content in microalgal-bacterial granular sludge at varied light intensities. ** symbols for p < 0.01. Copyright 2024, Elsevier Inc.
在光照强度为100和200 μmol/m²/s的MBGS内部，微生物群落中积累了大量的糖原，主要来源于蓝藻，其中200 μmol/m²/s光强下糖原含量更稳定。
光强诱导的糖原合成与污染物去除
Fig. 3 Metabolic pathways of glycogen (a), nitrogen (b), and phosphorus (c); expression levels of key enzymes (functional genes) (d); expression of glycogen branching enzyme (EC:2.4.1.18, K16149) (e); and species contribution abundance to glycogen branching enzyme (EC:2.4.1.18, K16149) (f) in microalgal-bacterial granular sludge under varied light intensities. Copyright 2024, Elsevier Inc.
光强的增加刺激了与糖原代谢相关的多种酶基因的表达，尤其是在光强为100和200μmol/m²/s时，糖原分支酶的基因表达水平最高，直接促进了糖原的合成。而在低光强（20 μmol/m²/s）下，糖原降解的关键酶（α-淀粉酶和异淀粉酶）基因表达水平较高，表明糖原的降解过程加速。光作为能量源可以调节MBGS系统中微生物基因表达。在低光强（20 μmol/m²/s）下，微藻只能产生足够的氧气维持自身代谢，无法为细菌提供富余的氧气，导致以糖原分解为主要能量来源。随着光强增加，微藻光合作用产生的富余氧气被细菌用于呼吸，增强了两者之间的协同作用，提高了污染物去除效率。在200 μmol/m²/s的光强下，出水pH值最高且糖原含量稳定在较高水平，表明此光强下藻-菌协同作用可能最强。总而言之，MBGS系统能够适应环境变化，动态调整微生物群落结构与功能，从而实现高效污染物去除性能。
小结
本实验探究了藻-菌颗粒污泥（MBGS）在不同光照强度下性能与糖原含量的潜在关系。结果表明，MBGS可以通过调节糖原代谢的基因表达，适应不同的光照条件，从而保持高效的污染物去除潜力。这些发现为了解MBGS系统性能与能量变化之间的关系提供了宝贵的见解。
