较高EPS含量的大颗粒材料所具有的机械阻力限制了厌氧氨氧化菌（anammox bacteria）的生长

《Water Research》：Mechanical resistance of higher EPS contents in larger granules restricts anammox bacterial growth

本研究通过对比含不同EPS量的厌氧氨氧化颗粒发现，大颗粒因EPS机械强度高抑制细菌增殖，但提升氮去除效率，超声处理可改善细菌生长并增强处理效果。

　　本研究探讨了外源性聚集体物质（EPS）对厌氧氨氧化（anammox）细菌在颗粒中的生长影响。EPS作为颗粒结构中的关键组成部分，对于维持颗粒的稳定性具有重要作用。然而，由于EPS基质带来的物理和机械阻力，关于EPS对细菌生长的具体影响仍知之甚少。研究者从一个实际运行的全规模废水处理厂中收集了不同尺寸和EPS含量的anammox颗粒，并通过同位素标记和定量PCR方法确认了较大的颗粒和更高的EPS含量表现出更高的最大氮去除活性，但细菌的生长产量却明显降低，导致最大比生长速率下降了26.8%。进一步的宏基因组测序显示，不同颗粒中的anammox物种是相同的，并且在15天的培养中EPS的产量相似，排除了较大的颗粒中更多的能量被用于产生额外EPS的可能性。有趣的是，大颗粒中的EPS机械强度显著更高，这会降低细胞膜的流动性，并严重变形细菌细胞。这些由密集EPS基质施加的机械约束限制了anammox细菌的繁殖，从而降低了其生长产量。使用低强度超声波松动EPS结构可以提高大颗粒中anammox细菌的生长产量，同时增强氮去除活性，这使得细菌的生长速率显著提高153.3%。研究结果表明，EPS施加的物理和机械阻力在细菌生长中扮演着之前被忽视的重要角色，并为促进颗粒中的anammox细菌繁殖提供了理论依据。

anammox是一种在自然氮循环中起关键作用的生物过程，同时在人工系统中也对氮管理至关重要。anammox细菌通常以生物膜的形式存在，特别是在废水处理反应器中，它们倾向于形成颗粒。颗粒是一种非附着生物膜，尺寸约为0.2-6毫米，广泛应用于可持续废水处理和生物资源回收。与絮状物相比，颗粒更加致密和紧凑，因此在基于颗粒的生物反应器中，所需的表面积更小，初始投资成本也更低。此外，颗粒通常比絮状物沉降更快，从而实现更高的生物量浓度。因此，基于颗粒的anammox过程被提出作为一种可持续的氮去除技术，因其在提高处理效率、节省成本和减少碳足迹方面的优势而受到广泛关注。

EPS主要由蛋白质（PN）和多糖（PS）组成，已被证实对anammox污泥的颗粒化起关键作用。PN的丰富疏水基团和相对松散的二级结构增强了疏水相互作用，从而促进污泥聚集。而PS含有如羧基和羟基等带有负电荷的功能基团，这些基团有助于桥接效应，从而促进anammox污泥的颗粒化。此外，PS链的性质，如分支程度和链的宽度和高度，已被报告与颗粒稳定性呈正相关。这些研究一致表明，EPS在维持anammox颗粒结构稳定性方面具有积极作用。因此，大多数先前研究旨在促进微生物分泌EPS，以获得更稳定的颗粒结构和更大的颗粒，从而保留更多的anammox细菌并实现高效的氮去除。

然而，值得注意的是，EPS可能在细菌生长中发挥多种作用，这些作用在先前研究中被忽视。例如，有研究表明EPS的合成和分泌会消耗大量能量，这可能导致其他关键化合物（如核苷酸）的合成受到限制，从而抑制anammox细菌的生长。此外，从微观角度来看，细胞分裂需要空间扩展，而EPS通常围绕细菌细胞，可能会对生长施加机械阻力。在繁殖过程中，细菌产生牵引力以推动细胞分裂，当牵引力超过外部阻力时，分裂过程可以顺利进行。然而，研究表明当EPS基质的强度超过一定阈值时，细胞生长可能会受到抑制。考虑到anammox细菌细胞被包裹在一个三维的EPS基质中，我们假设EPS的强度可能通过物理和机械约束影响细菌的生长。尽管这些EPS对anammox细菌繁殖的潜在影响非常重要，但在文献中尚未有人对此研究问题进行深入探讨。

本研究旨在填补这一知识空白，深入探讨EPS对颗粒中anammox细菌生长的影响。考虑到较大的颗粒通常含有更多的EPS，研究者通过尺寸筛选获得了两种类型的AnGS（包括尺寸较小的S-颗粒和尺寸较大的L-颗粒）。研究目标包括：（1）使用同位素标记和定量PCR方法确定这两种颗粒中anammox细菌的最大比生长速率；（2）通过宏基因组分析、弹性模量测量和一系列批次实验，探讨anammox细菌的活性物种、EPS产量和EPS强度等可能影响细菌生长的因素；（3）通过监测细胞形状和分裂，以及测量细胞膜的流动性，研究颗粒的微观结构和细菌细胞的特性；（4）通过调节EPS含量，确认EPS的作用，例如使用低强度超声波处理。研究结果预计能为理解EPS在颗粒中anammox细菌生长中的作用提供新的见解。

在本研究中，所使用的AnGS是从中国江苏省一家全规模工业废水处理厂中收集的，该厂采用基于anammox的工艺处理光伏制造过程中产生的高氨废水。该厂已稳定运行两年以上，采用的是单级部分硝化和anammox工艺。进水中的氨氮浓度约为1400 mg-N/L，不含亚硝酸盐和硝酸盐。该厂的总氮负荷率（NLR）和相关运行参数表明，其在实际应用中具有较高的处理效率和稳定性。通过这种实际运行的反应器，研究者获得了不同尺寸和EPS含量的S-颗粒和L-颗粒。研究发现，与S-颗粒相比，L-颗粒的尺寸更大（2.2±0.1 vs 1.4±0.1 mm，增加了57.7%，p<0.001），EPS含量也显著更高（244.2±21.8 vs 163.5±19.6 mg/g-VSS，增加了49.4%，p<0.01）（见图1A、B）。这一结果与先前研究一致，即较大的颗粒通常具有更高的EPS含量，这有助于其结构稳定性。然而，这些颗粒中的EPS机械强度显著更高，这可能对细菌的生长施加更大的阻力。因此，需要进一步探讨EPS的机械强度如何影响细菌的生长。

在本研究中，研究人员通过同位素标记和定量PCR方法确定了两种颗粒中anammox细菌的最大比生长率。结果显示，与S-颗粒相比，L-颗粒表现出更高的特定氮去除率，这与anammox细菌的显著更高丰度相一致（见图3A、B）。然而，L-颗粒的细菌生长产量明显低于S-颗粒，这导致其最大比生长率显著下降。这一现象可能与L-颗粒中更高的EPS含量有关，因为这些EPS可能限制了营养物质的传输，从而抑制了细菌的生长。此外，EPS的高机械强度可能对细菌的细胞膜施加更大的压力，降低其流动性，进而影响细胞的分裂和生长。因此，研究者认为，EPS的物理和机械约束可能限制了anammox细菌的繁殖，导致其生长产量降低。

为了进一步验证这一假设，研究者使用低强度超声波处理L-颗粒，以松动其EPS结构。结果显示，经过超声波处理后，L-颗粒中anammox细菌的生长产量显著提高，同时氮去除活性也有所增强。这一结果表明，EPS的机械强度对细菌的生长具有显著影响，而通过调节EPS的含量可以有效改善细菌的生长情况。因此，本研究的结果为理解EPS在anammox细菌生长中的作用提供了新的视角，并为优化颗粒中anammox细菌的繁殖提供了理论依据。

在本研究中，研究者还通过宏基因组分析、弹性模量测量和一系列批次实验，探讨了影响anammox细菌生长的其他因素。宏基因组测序显示，不同颗粒中的anammox物种是相同的，这表明EPS的含量和结构可能在不同颗粒中对细菌的生长产生不同的影响。弹性模量测量显示，L-颗粒的EPS机械强度显著高于S-颗粒，这可能是导致细菌生长受限的原因之一。此外，批次实验结果表明，L-颗粒中的EPS可能限制了营养物质的传输，从而影响了细菌的生长。这些结果进一步支持了EPS的物理和机械约束对细菌生长的抑制作用。

研究者还通过监测细胞形状和分裂以及测量细胞膜的流动性，研究了颗粒的微观结构和细菌细胞的特性。结果显示，L-颗粒中的细菌细胞形状更为不规则，细胞膜流动性较低，这可能是由于EPS的高机械强度对细胞施加了更大的压力。这些微观特性可能与细菌的生长和繁殖能力密切相关，因此需要进一步探讨EPS的结构和特性如何影响细菌的生长。

此外，研究者还探讨了EPS的产量和结构如何影响细菌的生长。在15天的培养中，L-颗粒和S-颗粒的EPS产量相似，这表明EPS的产量并不是导致细菌生长受限的主要因素。然而，L-颗粒中的EPS机械强度显著更高，这可能是导致细菌生长受限的主要原因。因此，研究者认为，EPS的机械强度对细菌的生长具有显著影响，而通过调节EPS的含量可以有效改善细菌的生长情况。

本研究的结果表明，EPS的机械强度对细菌的生长具有显著影响，而通过调节EPS的含量可以有效改善细菌的生长情况。因此，本研究的结果为理解EPS在anammox细菌生长中的作用提供了新的视角，并为优化颗粒中anammox细菌的繁殖提供了理论依据。这些发现对于实际应用中的废水处理和资源回收具有重要意义，因为它们揭示了EPS在维持颗粒结构稳定性的同时，可能对细菌的生长产生抑制作用。因此，在实际应用中，需要平衡EPS的含量和结构，以实现高效的氮去除和细菌的繁殖。