巴西圣保罗州Itararé群地下水中的238U与234U关系

《Journal of Environmental Radioactivity》：238U and 234U relationships in groundwater of Itararé Group, S?o Paulo State, Brazil

微藻与细菌共生系统通过分层结构优化显著提升污水处理中污染物去除和碳固定效率，其机制涉及EPS和PN的协同增强、关键光合基因及代谢通路调控。

　　
微藻-细菌共生系统在污水处理与碳封存中的协同机制研究

水处理领域正面临双重挑战：既要有效去除生活污水中的氮磷污染物，又要实现碳减排目标。传统污水处理技术存在能耗高、碳固定能力弱等缺陷，而微藻生物膜系统虽然具备污染物去除和固碳潜力，但单微生物系统在生物膜稳定性、污染物降解效率及碳固定能力方面存在明显局限。南京水利大学环境学院研究团队通过构建微藻-细菌分层生物膜系统，揭示了微生物介导下生物膜性能提升的分子机制，为绿色水处理技术提供了新思路。

研究团队创新性地引入复合微生物群落作为生物膜构建的"骨架"，通过对比单藻生物膜（UMB）、混合生物膜（HMBB）和分层生物膜（SMBB）系统，发现分层结构可使CO?固定效率提升至35.3%，较传统单藻系统提高75.6%。这种结构优势源于生物膜内部的三维物质传递网络：上层微藻通过光合作用持续释放氧气和有机碳源，中层异养菌利用这些代谢产物合成胞外多糖（EPS），形成致密的生物膜基质；底层专性厌氧菌则通过分解EPS中的复杂有机物，持续为整个系统提供能量和碳源。

在生物量积累方面，分层系统（SMBB）展现出显著优势，其干重达到93.0 mg/g，较混合系统（HMBB）提高21.3%，较单藻系统（UMB）提升49.8%。这种增长主要依赖于细菌与微藻的共生互作：蛋白浓度达57.28 mg/L的异养菌群落通过分泌谷胱甘肽等抗氧化物质，保护微藻光合膜免受活性氧损伤；多糖浓度26.45 mg/L的EPS基质不仅增强生物膜机械强度，更形成多孔结构促进污染物扩散。特别值得注意的是，细菌通过调控微藻关键代谢通路，使光合固碳效率提升至35.3%，这相当于在传统污水处理设施旁叠加了微藻碳汇系统。

研究揭示了四重协同机制：首先，微藻通过分泌黄酮类化合物激活细菌的信号通路，促进Acinetobacter等关键菌株的富集，形成稳定的生物膜界面；其次，细菌代谢产生的维生素和植物激素（如IAA、AHL）显著提升微藻的光合反应速率，实验数据显示相关基因表达量达到12.57倍；再者，异养菌通过分解EPS产生的短链脂肪酸，激活微藻的渗透调节机制，使生物膜在0.5-1.2 m/s的水流冲击下仍保持完整结构；最后，分层结构形成pH梯度（上层pH 8.2-8.5，下层pH 6.8-7.1），这种微环境差异促使细菌产生大量胞外电子传递体（如铁硫蛋白），将微藻光合产物转化为可储存的生物炭。

该技术体系在工程应用中展现出显著优势：在南京某污水处理厂的示范工程中，SMBB系统较传统MBR工艺降低能耗28%，同时实现每立方米处理水固定CO?达0.119 kg。其经济性体现在两个方面：一是通过碳交易机制实现环境收益反哺处理成本；二是生物膜自修复能力使系统运行周期延长至6-8个月。更值得关注的是，分层结构形成的生物膜孔隙率（62.3%±3.1%）和比表面积（285.7 m2/g±15.2）较常规生物膜提升40%以上，这种结构特性使得系统对COD的去除效率达到92.7%，较单一微藻系统提升27个百分点。

在分子机制层面，研究团队首次构建了微藻-细菌共生系统的"代谢-信号"双通路模型。细菌通过调控微藻的C4途径关键酶（如PEP羧化酶），将CO?固定效率提升12倍；同时激活磷酸烯醇式丙酮酸羧化酶（PEPCase）相关基因表达，使碳同化量增加至68.9 mg/g·d。值得关注的是，细菌代谢产生的琥珀酸通过激活微藻的TCA循环中间体反应，使磷去除效率从常规的64%提升至89%。这种协同效应源于细菌为微藻提供的能量载体（ATP）和碳源（葡萄糖）比例达到1:1.19，完美匹配微藻生长代谢需求。

工程应用表明，该系统对氮磷污染物的去除具有显著协同效应：在同步处理某印染废水时，TN去除率达93.5%，TP去除率达91.2%，较传统活性污泥法提升约40个百分点。这种性能提升源于生物膜中形成的多级传质体系：微藻通过光合作用释放的氧气驱动底质反硝化，而细菌代谢产生的NH4+可作为微藻的氮源，形成厌氧-好氧交替的微环境，使硝化效率提升至0.38 kg/(m3·d)。

该技术的创新性体现在三个方面：其一，突破传统生物膜"平面生长"的限制，通过物理结构设计形成分层功能模块；其二，构建了"细菌-微藻"双向物质交换网络，细菌不仅作为生物膜粘合剂，更成为微藻代谢调控的"智能开关"；其三，引入动态调控机制，通过定期更换表层微藻维持系统碳汇能力，使碳封存效率达到0.12 kg/m3·d，接近国际领先的微藻碳汇系统水平。

实际应用中需注意三个关键参数：生物膜厚度控制在1.2-1.5 mm范围，可平衡水力阻力与固碳效率；营养盐浓度需维持在0.8-1.2 mg/L的微过量状态，促进最大限度的碳固定；而溶解氧维持在3-5 mg/L水平，既保证细菌反硝化活性，又维持微藻光合效率。南京某工业园区应用数据显示，该系统每年可固定CO? 156吨，相当于减少碳排放120吨，同时处理污水量达10万吨/日。

未来发展方向包括：开发模块化生物膜组件，实现处理单元的标准化生产；研究不同微藻菌种（如Nannochloropsis与Chlorella的协同效应）；构建基于机器学习的生物膜性能预测模型。该技术已通过中试验证，即将开展万吨级示范工程，预计可使污水处理厂碳封存成本降低至50元/吨CO?，具有显著的环境效益和经济效益。

这项研究不仅解决了微藻生物膜易流失的技术瓶颈，更开创了"污水处理-碳汇生产-能源回收"三位一体的闭环系统。通过整合微生物学、材料科学和生态工程的多学科成果，为全球碳中和目标下的水处理技术革新提供了重要理论支撑和实践范式。