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传统活性污泥（AS）处理污水存在诸多局限，为探究污泥形态演变机制，研究人员构建 “AS→好氧颗粒污泥（AGS）→藻菌颗粒污泥（ABGS）” 系统。结果发现污泥性能随形态进化提升，相关功能基因上调。该研究为污水生物处理升级提供科学依据。
在污水处理的领域中，活性污泥（Activated Sludge，AS）技术是常用的市政和工业污水处理手段。它主要依靠微生物群落，通过微生物代谢来去除污水中的有机物、氮、磷等污染物。然而，传统的普通活性污泥存在不少问题，比如沉降性能差，容易发生污泥膨胀，胞外聚合物（Extracellular Polymeric Substances，EPS）分泌不足，微生物群落结构松散等。这就导致在实际污水处理过程中，处理效果受限，处理成本增加。
好氧颗粒污泥（Aerobic Granular Sludge，AGS）技术的出现，似乎带来了新的曙光。它不仅克服了传统活性污泥的一些弊端，还能让污泥的代谢途径更加多样化，整合了好氧、兼性厌氧和厌氧微生物的功能。而藻菌颗粒污泥（Algal-Bacterial Granular Sludge，ABGS）更是将 AGS 与微藻技术结合，在降低曝气能耗和碳排放方面表现出色。
但是，对于 AGS 和 ABGS 形成的演化过程，以及污泥特性和微生物群落功能转变背后的机制，人们了解得还不够深入。以往的研究大多采用 “黑箱” 比较法，只关注系统初始和最终状态的群落结构，忽略了过渡阶段群落的动态演替和功能基因富集的时间演化过程。有些以 AGS 为接种污泥培养 ABGS 的研究，难以阐明系统功能从基础代谢到更高阶协同作用在群落结构和基因层面的演化机制；而从 AS 直接培养 ABGS 的研究，又忽视了颗粒化阶段的群落重组和功能预适应。
为了解决这些问题，国内研究人员开展了一项重要研究。他们构建了 “AS→AGS→ABGS” 的渐进式演化实验系统，通过多维动态跟踪揭示系统功能转变的连续性，将污泥理化性质监测、EPS 成分分析、高通量测序和宏基因组功能注释相结合，实现闭环的基因 - 菌落 - 功能关联分析。该研究成果发表在《Bioresource Technology》上，为推动污泥形态演变在好氧生物污水处理工艺升级中的应用提供了科学依据。
研究人员在这项研究中用到了几个主要关键的技术方法。首先是高通量测序技术，它能够对微生物群落进行全面分析，了解微生物种类和数量的变化。其次是宏基因组学技术，用于研究微生物群落的功能基因动态变化。同时，研究人员还进行了 EPS 成分分析，测定蛋白质和多糖等成分的含量变化，以此来探究其在污泥形态演变中的作用 。
下面来详细看看研究结果：
- 不同污泥形态的特征：在污泥形态演变过程中，混合液悬浮固体（Mixed Liquor Suspended Solids，MLSS）和叶绿素 a（Chlorophyll a，Chl-a）的含量发生了变化。AS 阶段，MLSS 含量从第 1 天的 2.5g/L 增长到第 75 天的 3.1g/L，前 40 天因生物选择压力下沉降性能差的污泥被选择性排除，MLSS 含量波动明显。AGS 阶段，MLSS 含量呈上升趋势。
- 污泥性能与形态演变的关系：研究发现，污泥的生物量、粒径、沉降性和污染物去除效率随着污泥形态的演变逐渐增加。这表明随着污泥从 AS 向 AGS 再向 ABGS 转变，污泥处理污水的能力在不断提升。
- EPS 成分变化：EPS 分析显示，在 AGS 阶段，蛋白质含量从 2.1mg/gSS 增加到 17.4mg/gSS；在 ABGS 阶段，多糖含量从 3.3mg/gSS 增加到 5.9mg/gSS。这说明 EPS 成分的变化与污泥形态演变密切相关，可能在污泥颗粒化和性能提升过程中发挥重要作用。
- 微生物群落分析：微生物群落分析表明，污泥演化降低了物种丰富度，但富集了用于脱氮除磷的功能细菌。同时，群落结构的复杂性增加，物种间的相互作用更加紧密。这意味着在污泥形态演变过程中，微生物群落逐渐向更高效的处理污水方向发展，各个物种之间协同合作，更好地完成脱氮除磷等功能。
- 功能基因变化：参与三羧酸循环、氮 / 磷和 EPS 代谢的关键基因也上调了。这进一步解释了为什么随着污泥形态的演变，污泥处理污水的能力会增强，因为相关功能基因的表达增加，促进了相应的代谢过程，使得污水中的污染物能够更有效地被去除。
综合研究结论和讨论部分，这项研究首次基于高通量测序结合宏基因组技术，深入分析了污泥从初始絮凝形态到 AGS 再到 ABGS 形态的系统性能变化和功能转变机制。研究结果明确了污泥形态演变与污泥性能提升、EPS 成分变化、微生物群落结构和功能基因动态之间的关系。这些发现对于优化污水处理工艺、提高污水处理效率具有重要意义。它为污水处理领域提供了新的理论依据和技术支持，有助于推动污水处理行业朝着更高效、更环保的方向发展，让我们在解决污水问题上又向前迈进了一大步。
