光驱动的氧气过饱和状态调控微藻-细菌颗粒污泥系统中的微生物适应性：一种用于实现碳中和废水处理的新颖间歇调控策略

《Bioresource Technology》：Light-driven oxygen supersaturation controls microbial resilience in microalgal-bacterial granular sludge systems: Novel intermittent regulation strategy for carbon–neutral wastewater treatment

微藻-细菌絮体（MBGS）在间歇光照下可有效缓解溶解氧超饱和和氧化应激，提升氮磷去除效率达94.2%-99.2%，促进脱氮除磷功能菌群增殖。

　　这项研究聚焦于一种名为微藻-细菌颗粒污泥（MBGS）的废水处理技术，其通过微藻的光合作用替代传统曝气系统，实现碳中和的污水处理目标。然而，研究也指出，过量的光照可能会导致溶解氧（DO）的过饱和现象，进而引发氧化应激，影响MBGS的稳定性和处理效率。因此，如何在充分利用光照的同时，避免其负面影响，成为提升MBGS系统性能的关键问题。

研究团队设计了一项实验，旨在探讨连续光照与间歇光照模式，以及不同光照强度（400和800?μmol/m2/s）对MBGS系统长期运行（96天）的影响。通过对比分析两种光照模式下系统的运行数据，研究人员希望找到一种既能维持高效处理能力，又能缓解氧化应激的光照策略。实验结果表明，连续光照条件下，系统内的DO浓度显著升高，超过了25?mg O?/L，这不仅限制了微生物的代谢活动，还导致了活性氧（ROS）的积累，从而对系统内的微生物群落产生不利影响。相比之下，间歇光照模式能够有效调控DO浓度，降低ROS水平，同时增强抗氧化酶的活性，恢复微生物的功能，从而提高系统的稳定性与处理效率。

在间歇光照条件下，系统表现出更高的氮磷去除效率。例如，在400?μmol/m2/s的光照强度下，氨氮（NH??-N）、总氮（TN）和总磷（PO?3?-P）的去除率分别达到了99.2%、81.5%和94.2%；而在800?μmol/m2/s的光照强度下，去除率分别为89.7%、69.9%和91.5%。这些数据表明，尽管光照强度增加可能带来一定的挑战，但通过采用间歇光照策略，可以有效提升系统的处理能力，特别是在氮磷去除方面。此外，间歇光照还促进了某些功能微生物的富集，如脱氯单胞菌（Dechloromonas）、拟黄单胞菌（Pseudoxanthomonas）和假单胞菌（Pseudomonas）等，这些微生物在氮磷去除过程中扮演着重要角色。

研究进一步指出，光照模式对MBGS系统的影响不仅局限于微生物的活性变化，还涉及整个系统的生态平衡。在高光照强度下，由于光合作用产生的氧气超过了微生物的消耗能力，DO浓度升高，这可能会对非光合细菌产生负面影响，降低其代谢活性，进而影响整个系统的处理效率。此外，高DO浓度还可能破坏微生物群落的结构，导致某些有益菌群的减少或消失，从而影响系统的稳定性。因此，合理的光照调控策略对于维持MBGS系统的长期运行至关重要。

为了更好地模拟实际运行条件，研究团队采用了一种2升的光序批反应器（PSBR），通过交替的厌氧-黑暗、好氧-光照和缺氧-黑暗周期来培养MBGS。在实验过程中，研究人员还使用了LED灯均匀照射反应器，并通过磁力搅拌器（50?rpm）确保污泥的悬浮状态和光照的均匀分布。实验分为四个阶段，分别测试了不同光照强度和光照模式对系统性能的影响。通过对各阶段处理效率的评估，研究团队发现间歇光照模式在维持系统功能的同时，能够显著减少DO过饱和和ROS积累，从而为MBGS系统的优化提供理论依据。

在实际应用中，MBGS系统的运行环境往往受到自然光照条件的限制。由于自然光照强度会随着天气状况、季节变化和地理位置的不同而波动，因此在设计和运行MBGS系统时，必须充分考虑这些因素。例如，在高纬度地区或冬季，光照强度较低，可能需要通过人工补光来维持系统的正常运行；而在夏季或低纬度地区，光照强度较高，可能会导致DO过饱和，从而需要采取适当的遮光或间歇光照策略。此外，研究还指出，不同光照强度下，MBGS系统中的微生物群落会发生显著变化，这可能会影响系统的处理效率和稳定性。因此，针对不同光照条件，制定相应的调控措施，是实现MBGS系统高效运行的重要前提。

实验结果还表明，MBGS系统在不同光照条件下表现出不同的微生物适应性。例如，在高光照强度下培养的MBGS系统，其光合能力更强，能够更有效地应对光抑制现象。这说明MBGS系统具有一定的适应能力，可以通过调整光照条件来优化其性能。然而，这种适应性也受到系统规模和实际运行条件的限制。在实际工程应用中，光照强度的波动和分布不均可能会对系统的稳定性产生更大的影响，因此需要通过优化反应器设计、引入遮光措施或采用智能光照控制系统，来减少光照对MBGS系统的不利影响。

此外，研究还强调了MBGS系统在污水处理中的潜力。与传统的活性污泥法相比，MBGS系统能够有效降低能耗，提高处理效率，并减少碳排放。然而，为了实现其广泛应用，还需要进一步解决光照调控、DO管理以及微生物群落稳定等问题。研究团队建议，未来的研究应更多关注MBGS系统在实际运行条件下的适应性和稳定性，特别是在光照强度波动较大的环境中。同时，还需要探索更多有效的调控策略，如调整光照周期、优化反应器结构、引入辅助调控手段等，以确保MBGS系统能够在不同条件下保持高效运行。

综上所述，这项研究通过系统的实验分析，揭示了光照模式和强度对MBGS系统性能的影响机制。研究结果表明，间歇光照模式能够有效缓解DO过饱和和氧化应激，提高系统的处理效率和微生物活性。这些发现为MBGS系统的优化提供了重要的理论支持，并为未来在实际工程中应用该技术提供了可行的策略。通过合理调控光照条件，MBGS系统有望在不同环境和条件下实现更高效的污水处理，为可持续水处理技术的发展做出贡献。