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序批式光生物反应器富集并聚集紫色非硫细菌 PNSB | 污泥沉降与营养物回收

在1.5 L搅拌罐厌氧序批式光生物反应器（SBR）中，用红外光（>700 nm，375 W m−2）从活性污泥（接种0.1 g VSS L−1）富集紫色非硫细菌。HRT由48 h降至16 h、有机负荷由0.215升至1.29 kg COD d−1 m−3，生物量聚集并累积至3.8 g VSS L−1，沉降比例由12%升至97%，SRT自由增长至11 d。COD、氨氮、正磷酸盐去除率分别达96%（1.1 kg COD d−1 m−3）、77%（113 g N d−1 m−3）、73%（15 g P d−1 m−3），Rhodobacter、Rhodopseudomonas、Blastochloris 依次被选择，PNSB 占比最高达90%。

紫色非硫细菌SBR光生物反应器生物聚集与沉降混合菌群富集营养物回收
💡 核心结论：在1.5 L厌氧搅拌罐序批式光生物反应器中用红外光从活性污泥富集PNSB，通过缩短HRT、提高有机负荷诱发菌体聚集与沉降，生物量累积至3.8 g VSS L−1、沉降比例达97%，同时实现96% COD、77%氨氮、73%磷酸盐去除，PNSB在群落中最高占90%。
📑 目录
文献信息要点速览背景与问题概念边界体系与方法结果逐条解读机制小结工程含义适用场景局限声明来源

文献信息

英文题名
Enrichment and Aggregation of Purple Non-sulfur Bacteria in a Mixed-Culture Sequencing-Batch Photobioreactor for Biological Nutrient Removal From Wastewater
作者
Marta Cerruti, Berber Stevens, Sirous Ebrahimi, Abbas Alloul, Siegfried E. Vlaeminck, David G. Weissbrodt
期刊 / 年份
Frontiers in Bioengineering and Biotechnology 2020
DOI
10.3389/fbioe.2020.557234
卷期 / 页码
Volume 8, Article 557234
单位
代尔夫特理工大学（Delft University of Technology）生物技术系；参与单位包括伊朗 Sahand University of Technology 化学工程系与比利时安特卫普大学生物科学工程系
一句话概括：研究以简单搅拌罐SBR取代膜组件富集并聚集PNSB：先以40 h批次快速富集，再分三阶段（SBR1–SBR3）缩短周期、提高负荷，用聚集体的天然沉降性实现固液分离与生物量滞留，并解析了PNSB行会内的种群演替。

一图不看也要知道的几件事

  • 反应器为1.5 L圆柱形单壁玻璃搅拌罐，接种0.1 g VSS L−1的BNR活性污泥（荷兰Harnaschpolder污水厂），红外光（>700 nm）辐照375 W m−2，温度30±1℃、pH 7.0±1.0，氩气维持厌氧。
  • 首个批次40 h内即出现PNSB选择性富集，Rhodobacter在40 h批次结束时占总扩增子读数的52%（摘要给出54%），首个SBR1周期结束时达90%。
  • 三个运行阶段：SBR1为1周期 d−1、HRT 48 h、OLR 0.215 kg COD d−1 m−3；SBR2为3周期 d−1、HRT 16 h、OLR 0.645；SBR3同SBR2但进水COD由430翻倍至860 mg COD L−1，OLR 1.290；体积交换比均为50%。
  • SRT不主动排泥、自由演化，中位值由SBR1的1.5 d升至SBR2的7.2 d、SBR3的10.6 d（图注给出2、7.5、11 d）。
  • 生物量中位值由0.1（SBR1）升至1.6（SBR2）、3.0（SBR3）g VSS L−1，SBR3最高达3.8（讨论提及最高4.0）g VSS L−1；出水悬浮生物量仅0.13–0.15 g VSS L−1。
  • 沉降生物量比例由SBR1的12%升至SBR2的96%、SBR3的97±3%；SBR3末约5.9 g VSS中大部分在约10 min内沉降，G-通量达4.5 kg VSS h−1 m−2。
  • 营养物去除：COD 96%（1.1 kg COD d−1 m−3，最大2.437）、氨氮77%（113.3 g N d−1 m−3）、正磷酸盐73%（15.2 g P d−1 m−3）；SBR3出水乙酸43、氨氮10、磷酸盐2.0 mg L−1，接近欧盟排放标准。
  • 表观COD:N:P同化比由批次的100:7.5:0.12变为COD限制下的100:9.2:1.2（SBR1-2）与非COD限制下的100:6.7:0.9（SBR3）。
  • 动力学参数：批次与SBR1的µmax为2.16 d−1与3.36±1.4 d−1，YX/S,max为0.39与0.23±0.02 g VSS g−1 CODs，qS,max为5.76与13.68±5.04 g CODs d−1 g−1 VSS；SBR2-3因生物量过高无法检出µmax与产率，qS,max降至2.0±0.8。
  • PNSB行会（Rhodobacter+Rhodopseudomonas+Blastochloris）占总群落比例中位81%（60–93%，均>60%）；沉降生物量中PNSB占比（80%）为非沉降部分（25%）的3倍。
  • 16S rRNA基因扩增子序列提交于NCBI BioProject PRJNA681757。

研究背景与要解决的问题

混合菌群生物技术广泛用于污水中营养物捕获，紫色非硫细菌（PNSB）作为不产氧光混养微生物行会，可将碳、氮、磷直接同化进生物量，被视为污水资源化的候选菌群；其生物量可进一步转化为单细胞蛋白、PHA、生物氢等。

光生物技术的核心工程难题之一是反应器内光子供给受限，多数PNSB工艺运行浓度低于1 g VSS L−1，低生物量浓度限制了体积转化速率的强化；同时PNSB传统上被认为主要在悬浮态生长、沉降缓慢，因此常需膜过滤甚至离心，带来泵送能耗、膜污染与维护成本。

已有研究表明有序的基质梯度（如SBR运行）可促进微生物聚集与颗粒化，从而强化固液分离；但此前针对PNSB的SBR研究并未专门为此设计运行制度。研究因此考察在简单搅拌罐中通过SBR制度富集并聚集PNSB，以替代膜组件并解耦水力停留时间（HRT）与污泥停留时间（SRT）。

概念与技术边界

PNSB（紫色非硫细菌）
一类能利用红外光进行不产氧光合作用的兼性厌氧微生物行会，代谢高度多样，可同化碳氮磷并积累PHA等储存物。
SBR（序批式反应器）
按进水、反应、沉降、排水、闲置分阶段循环运行的反应器；周期性的高—低基质梯度可诱导菌体聚集。
SRT（污泥停留时间）
生物量在系统中平均停留的时间；本研究不主动排泥，生物量随沉降能力提升而在系统内累积，SRT自2 d升至11 d。
G-通量（沉降G-flux）
单位面积单位时间通过的重力沉降固体通量，用以替代污泥体积指数SVI表征沉降性能。
IR光选择压
仅供给>700 nm红外光，抑制绿色光养生物而选择能利用红外光的紫细菌；PNSB的细菌叶绿素吸收红外光而具竞争优势。

体系与方法

环节做法与参数
培养介质以乙酸钠为基础碳源，配以KH2PO4/K2HPO4、NH4Cl、MgSO4·7H2O、NaCl、CaCl2·2H2O、酵母提取物、维生素液与微量元素液；碳源与氮磷源分开配制以避免污染。
反应器与光照1.5 L圆柱形单壁玻璃搅拌罐（Applikon），378 rpm搅拌，氩气吹扫维持厌氧；置于暗通风橱内，两盏120 W卤素灯经Black Perspex 962滤片提供>700 nm红外光，反应器表面辐照度设为375 W m−2（较已报道的约50 W m−2高约8倍）。
批次与SBR制度先40 h批次激活污泥；随后SBR1（24周期×24 h：沉降3 h、排水5 min、进水5 min、反应20.75 h）、SBR2（周期8 h、反应4.75 h、205周期）、SBR3（同SBR2但进水COD翻倍）；体积交换比50%。
生长与营养物测定生物量以660 nm吸光度（低浓度期）与VSS重量法（聚集后）监测；COD、氨氮、正磷酸盐用Hach-Lange LCK比色试剂盒加DR3900分光光度计测定，样品离心（17000×g，5 min）并过0.45 µm滤膜，三次平行测定的相对标准偏差0.5–1.9%。
参数提取用Aquasim构建基质消耗与生物量生长的质量平衡模型，按Herbert-Pirt关系拟合qS,max、YX/S,max、维持率mS，并据qS,max与YX/S,max推算µmax。
菌群与色素分析相衬显微镜（Axioplan 2）观察形态；400–1000 nm波长扫描跟踪BChl a（800–900 nm）与类胡萝卜素（400–600 nm）吸收峰；V3–V4 16S rRNA基因扩增子测序（341f/806r，MiSeq，≥97%相似度聚类OTU，SILVA比对）。

主要结果（原文图表逐条解读）

Fig. 1：用于富集与聚集PNSB的厌氧搅拌罐光生物反应器序批运行。(A) 以0.1 g VSS L−1的BNR活性污泥接种；(B) 初始40 h批次激活污泥并检验PNSB富集；(C) SBR1 1周期 d−1、HRT 48 h、反应20.75 h、OLR 0.215 g COD d−1 Lr−1；(D) SBR2 3周期 d−1、HRT 16 h、反应4.75 h、OLR 0.645；(E) SBR3同SBR2但OLR加倍至1.290。
Fig. 1：用于富集与聚集PNSB的厌氧搅拌罐光生物反应器序批运行。(A) 以0.1 g VSS L−1的BNR活性污泥接种；(B) 初始40 h批次激活污泥并检验PNSB富集；(C) SBR1 1周期 d−1、HRT 48 h、反应20.75 h、OLR 0.215 g COD d−1 Lr−1；(D) SBR2 3周期 d−1、HRT 16 h、反应4.75 h、OLR 0.645；(E) SBR3同SBR2但OLR加倍至1.290。
图示信息：同一反应器在不同运行阶段（接种、40 h批次末、SBR1末、SBR2末、SBR3末）的彩色照片，展示混合液颜色由灰绿→金黄褐→鲜红→深红→近黑的演变。
论文结果：培养液颜色随运行推进由接种时的灰绿色逐渐转为红色并不断加深（A接种、B 40 h批次呈金黄褐色、C SBR1鲜红、D SBR2深红、E SBR3暗红近黑），对应PNSB色素（细菌叶绿素与类胡萝卜素）在生物量中的持续富集。
研究意义：PNSB的富集程度可由颜色变化直观跟踪，说明在无膜组件的搅拌罐中即可实现PNSB的选择性扩增；颜色仅作定性质控指标，定量富集度仍需测序或色素扫描确认。
Fig. 2：混合菌群PNSB光生物反应器各SBR运行阶段的营养物去除与生物量特征。(A) SBR1→SBR3的COD、氨氮、正磷酸盐去除百分比；(B) 体积去除速率的递增；(C) 混合液中沉降生物量比例随时间变化；(D) 反应器内生物量的累积；(E) 反应末与沉降后出水中的生物量浓度分布；(F) SRT随生物量累积自由升高。
Fig. 2：混合菌群PNSB光生物反应器各SBR运行阶段的营养物去除与生物量特征。(A) SBR1→SBR3的COD、氨氮、正磷酸盐去除百分比；(B) 体积去除速率的递增；(C) 混合液中沉降生物量比例随时间变化；(D) 反应器内生物量的累积；(E) 反应末与沉降后出水中的生物量浓度分布；(F) SRT随生物量累积自由升高。
图示信息：六面板图（A–F）：A为SBR1–SBR3的COD/氨氮/磷酸盐去除率分组柱状图；B为三类营养物体积去除速率柱状图（分别缩放·100、·10−1、·10−2）；C为沉降比例（%）随时间散点；D为生物量浓度（g VSS L−1）随时间（实心三角为反应器内、空心圆为出水）；E为反应器与出水生物量箱线图；F为SRT箱线图。
论文结果：COD去除率在所有阶段均约90–96%；氨氮与磷酸盐去除率约53%（SBR1）、44%（SBR2）、77%（SBR3）与60%、45%、73%。体积去除速率随SBR1→SBR3递增（COD 0.220→0.891→1.019 kg d−1 m−3；氨氮26→83→113 g d−1 m−3；磷酸盐3→11→15 g d−1 m−3）。沉降比例由SBR1初期约12%升至SBR2末约96%、SBR3约97%；反应器内生物量由近0升至2–4 g VSS L−1，而出水始终较低；SRT中位值由约2 d（SBR1）升至约7.5 d（SBR2）、约11 d（SBR3）。
研究意义：SBR运行推进过程中，营养物去除能力、生物量聚集沉降与滞留时间同步提升，说明聚集是生物量得以在系统内累积、进而强化体积转化的关键；各指标均为中位/平均值，早期点离散度较大。
Fig. 3：PNSB富集生物量的色素与聚集特征演变。(A) SBR1至SBR3的聚集体相衬显微图像，聚集体尺寸随运行时间增大、沉降能力增强；(B) 完整培养物的波长扫描（以660 nm生物量归一化），PNSB特征峰位于800–900 nm（BChl a）与400–500 nm（类胡萝卜素），40 h批次后出现并持续至SBR3末。
Fig. 3：PNSB富集生物量的色素与聚集特征演变。(A) SBR1至SBR3的聚集体相衬显微图像，聚集体尺寸随运行时间增大、沉降能力增强；(B) 完整培养物的波长扫描（以660 nm生物量归一化），PNSB特征峰位于800–900 nm（BChl a）与400–500 nm（类胡萝卜素），40 h批次后出现并持续至SBR3末。
图示信息：A为三张相衬显微照片，自上至下对应SBR1、SBR2、SBR3的生物聚集体（含50 µm/20 µm比例尺）；B为400–1000 nm吸光度曲线，含接种液、批次末、SBR1末、SBR2末、SBR3末五条谱线。
论文结果：显微图显示接种后SBR1即出现致密聚集体，部分细胞呈花状簇（形态类似Rhodopseudomonas），另有杆状细胞；聚集体尺寸沿运行由50 µm增至150 µm（A）。波长扫描（B）显示批次末已在800与850 nm出现PNSB特征峰并持续至SBR1；SBR2末峰位红移至805与865 nm；SBR3出现1000 nm吸收上升，为Blastochloris特有细菌叶绿素b的标志。
研究意义：色素吸收峰的存续与位移同时证明PNSB的持续存在与行会内优势种群的更替；由于谱线以660 nm归一化，峰位变化反映色素组成而非绝对生物量，峰位判读依赖已知菌属色素特征。
Fig. 4：PNSB富集混合培养过程中细菌群落组成的V3–V4 16S rRNA基因扩增子时间序列。接种BNR活性污泥后，Rhodobacter先在40 h批次与SBR1早期富集，Rhodopseudomonas在SBR2与SBR3占优，Blastochloris在SBR2末与SBR3出现；PNSB行会平均总相对丰度>60%（中位81%，范围60–93%）。
Fig. 4：PNSB富集混合培养过程中细菌群落组成的V3–V4 16S rRNA基因扩增子时间序列。接种BNR活性污泥后，Rhodobacter先在40 h批次与SBR1早期富集，Rhodopseudomonas在SBR2与SBR3占优，Blastochloris在SBR2末与SBR3出现；PNSB行会平均总相对丰度>60%（中位81%，范围60–93%）。
图示信息：堆叠柱状图，纵轴为相对丰度（% 读数），横轴为SBR启动后时间（天），按接种/40 h批次、SBR1、SBR2、SBR3分组；图例区分 Others（未分类，灰色）、Rhodobacter（红色实心）、Rhodopseudomonas（红色斜纹）、Blastochloris（红底白点）；含SBR1-3总PNSB箱线图内插图。
论文结果：BNR接种污泥中Rhodobacter为主要PNSB（4%读数）；40 h批次末Rhodobacter升至约52%；SBR1首个周期末达90%；第10周期（10 d）Rhodopseudomonas富集至15%、第23周期末（23 d）达50%。SBR1第13周期生物膜中Rhodopseudomonas为55%、Rhodobacter仅5%，而混合液中Rhodobacter 60%、Rhodopseudomonas 10%。SBR2第18周期后Rhodopseudomonas升至70%（Rhodobacter 17%），SBR2 20 d后Blastochloris被选出，SBR2末Rhodopseudomonas降至60%，SBR3中Blastochloris达10%。
研究意义：说明PNSB行会内部存在清晰的时序演替：高乙酸浓度与短SRT先选Rhodobacter，乙酸限制与长SRT选Rhodopseudomonas，高生物量遮蔽下低能红外光再选Blastochloris；生物膜与混合液种群不同，取样部位会影响群落读值。
Table 1：三个SBR运行制度的过程参数（无对应原图，仅文字解读）
图示信息：表格列出SBR1/SBR2/SBR3的周期数、反应相长度、沉降相长度、HRT、SRT、OLR、进水C:N:P比及反应初的乙酸、氨氮、正磷酸盐浓度。
论文结果：周期数1/3/3 次 d−1，反应相20.75/4.75/4.75 h，沉降相均为3 h，HRT 48/16/16 h，SRT 1.5/7.2/10.6 d，OLR 0.215/0.645/1.29 g COD d−1 Lr−1；进水C:N:P 100:35.8:3.8、100:35.8:4.2、100:11.2:1.7；反应初乙酸257±54/232±18/443±76 mg COD L−1，氨氮92±21/83±16/49±17 mg N-NH4+ L−1，正磷酸盐9.7±1.3/9.9±3.3/7.7±1.1 mg P-PO43− L−1。
研究意义：该表界定了三阶段的负荷与基质条件，说明SBR3通过进水COD翻倍（430→860 mg CODAc L−1）消除了反应相内的COD限制；SRT为自由演化后的中位值，不代表恒定控制值。
Table 2：SBR1–SBR3中PNSB富集生物量的去除速率与去除百分比平均值及最大值（无对应原图，仅文字解读）
图示信息：表格按COD、氨氮、正磷酸盐分别列出体积去除速率、去除百分比、最大体积速率、最大去除百分比与平均残余浓度。
论文结果：COD：平均速率0.220±0.056/0.891±0.235/1.019±0.318 kg d−1 m−3，去除率96±7/96±11/91±11%，最大速率0.387/1.488/2.437，最大去除率100/100/98%，平均残余67±25/62±32/61±6 mg L−1。氨氮：26±13/83±35/113±62 g d−1 m−3，去除率53±18/44±10/77±21%，最大速率52/159/65，平均残余39±16/39±6/11±7 mg L−1。正磷酸盐：3±1/11±5/15±5 g d−1 m−3，去除率60±11/45±10/73±14%，平均残余4±1/5±1/2±1 mg L−1。
研究意义：COD残余接近60 mg L−1、符合欧盟排放限值，说明该工艺在单一批次反应相内即可同时高效去除C-N-P；SBR3在非COD限制下获得最高的氨氮与磷酸盐去除率，但氨氮最大去除率（SBR3为94%）与平均值的差距提示批次间波动较大。
Table 3：从初始批次与三个SBR周期提取的PNSB混合培养生物量生理参数，并与纯培养/混合培养文献值比较（无对应原图，仅文字解读）
图示信息：表格列出PNSB纯培养、PNSB混合培养的文献值以及本研究初始批次、SBR1、SBR2、SBR3的qS,max、YX/S,max、µmax。
论文结果：初始批次qS,max 5.76 g CODs d−1 g−1 VSS、YX/S,max 0.39 g VSS g−1 CODs、µmax 2.16 d−1；SBR1为13.68±5.04、0.23±0.02与3.36±1.4 d−1；SBR2为1.76±0.91、SBR3为2.22±0.79 g CODs d−1 g−1 VSS（YX/S,max与µmax因生物量过高、吸光度与VSS灵敏度不足而无法提取）。文献对照：PNSB纯培养YX/S,max 0.98–1.23、µmax 5.28 d−1；混合培养0.23–0.63 g VSS g−1 CODs、0.72–1.68 d−1。
研究意义：表明富集的PNSB生物量具备较高比基质消耗与比生长速率（SBR1 µmax高于文献混合培养值，接近纯培养水平）；但高浓度阶段无法准确测定生长参数，作者建议用稀释生物量的外置批次试验获取动力学数据。

机制小结

  • SBR运行形成从周期初高浓度到周期末低残留的基质梯度，此类梯度是已知的微生物生物聚集促进因子，从而诱导PNSB形成聚集体而非单纯悬浮生长。
  • PNSB通过在絮体/生物膜与聚集体中生长获得选择性优势：测序显示沉降生物量中PNSB占比（80%）远高于非沉降部分（25%），聚集本身即构成对PNSB的富集筛。
  • 种群演替由基质与波长梯度共同驱动：高乙酸浓度与短SRT先选生长快、乙酸亲和力低的Rhodobacter；乙酸限制期与更长SRT选亲和力更高（Ks 0.11 mM vs 0.23 mM）的Rhodopseudomonas；Rhodobacter与Rhodopseudomonas在800–850 nm的吸收及其遮蔽效应进一步筛出利用更高波长BChl b的Blastochloris。
  • 光养生物不需以基质分解产能、也不需外源电子受体即可代谢乙酸，因而在连续红外光与搅拌条件下相对一般化能异养菌具选择优势。
  • PNSB可在单一批次反应相内以同化方式同时去除C-N-P，无需像传统BNR那样交替厌氧/缺氧/好氧氧化还原条件。

工程与产业含义

  • 以简单搅拌罐SBR即可实现PNSB的高富集与快速沉降，无需膜组件与离心，可降低下游固液分离的投资与运行成本，并规避膜污染与泵送能耗。
  • 聚集使系统可截留生物量并将SRT与HRT解耦，SRT在3–10 d区间可依据营养物捕获与生物量产出目标加以控制。
  • 由于沉降约10 min内完成，SBR沉降相可大幅缩短、周期可进一步缩短，从而提升日处理负荷；曾设想提高至4周期 d−1。
  • 该工艺无需曝气，若使用太阳光可节省电力；但需为反应器配置滤光装置以供给红外光并维持PNSB优势。
  • 实际应用中存在约束：所用375 W m−2辐照度远高于太阳光年均约150 W m−2，若以LED人工供光则电耗需与经济性平衡；灯管/浮载体上的生物膜会遮挡光需定期清洗。
  • 该PNSB SBR的COD体积去除率（最高1.1 kg COD d−1 m−3）与已报道PAnMBR（0.8–2.5）、连续搅拌槽（0.2–1.4）及传统BNR活性污泥（1.2–3.2 kg COD d−1 m−3）处于可比范围；可通过缩短周期进一步提高负荷与去除速率。

适用与不适用场景

✅ 适用场景
  • 以乙酸/VFA为主的合成或酸化污水在厌氧红外光条件下的C-N-P同化去除与生物量捕获
  • 需要将高价值PNSB生物量（蛋白、PHA原料）从处理水中经济分离的资源化场景
  • 希望以无膜、低能耗方式实现生物量滞留与强化体积转化的中试/放大前期研究
⚠️ 不适用 / 需谨慎
  • 直接以年均太阳光（约150 W m−2）供光的户外场景，需先解决辐照度不足与光穿透问题
  • 不作滤光或以可见全光谱供光的系统（会同时增殖绿色光养生物，破坏PNSB选择压）
  • 无法维持厌氧（如持续曝气）或需要在好氧条件下运行的既有污水处理构筑物

局限与不确定性

作者未解决 / 需要读者注意的问题
  • 实验为实验室规模、单一合成污水（乙酸为碳源）与受控条件（氩气维持厌氧、375 W m−2红外光），未进行反应器设计优化与热经济性分析，放大适用性待验证。
  • SBR2与SBR3在高生物量浓度下无法可靠提取µmax与产率（VSS与吸光度灵敏度不足），相关生长参数仅来自批次与SBR1。
  • SBR3出现ISS占比>40%的时段（第97–117天），其成因（矿化、沉淀或胞内聚磷）未确定，P去除究竟通过同化还是聚磷摄取/生物诱导沉淀亦未阐明。
  • SRT未受控而自由演化，未验证在特定SRT区间维持稳定运行的控制策略。
  • 群落分析基于扩增子相对丰度，不能直接反映各菌属的代谢活性与功能贡献。

数据 · 代码 · 经费 · 利益冲突

测序数据存放于NCBI BioProject PRJNA681757（https://www.ncbi.nlm.nih.gov/bioproject/681757）；补充材料见期刊页面。经费来自代尔夫特理工大学应用科学学院生物技术系终身轨启动经费（DW, PI），AA受FWO-Vlaanderen博士研究资助（1S23018N）；论文曾以预印本形式发布于bioRxiv（doi: 10.1101/2020.01.08.899062）；作者声明无利益冲突（正文未单列Declaration，数据可用性声明与作者贡献、致谢已给出）。

来源与链接

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