文献信息
英文题名
Rapid granulation of purple phototrophic bacteria for efficient wastewater treatment and high-value resource recovery
作者
Xiaoshuai Peng, Yifeng Xu, Zhenxing Fang, Siwei Yu, Linchuan Fang, Lai Peng
期刊 / 年份
Biochemical Engineering Journal 2026
DOI
10.1016/j.bej.2026.110215
卷期 / 页码
232: 110215
单位
武汉理工大学关键非金属矿产资源绿色利用教育部重点实验室；武汉理工大学深圳研究院；武汉理工大学矿物加工与环境湖北省重点实验室；武汉理工大学绍兴高等研究院
一句话概括：在四个平行序批光生物反应器（R1 白炽光、R2 红外光、R3 白炽光+Fe²⁺、R4 白炽光+CPAM）中，证明光照光谱本身不决定造粒快慢，而外源促凝剂才是加速颗粒化的关键，并据此权衡 Fe²⁺ 与 CPAM 在结构、处理与资源产出上的差异。
一图不看也要知道的几件事
- 单一光源组（R1 白炽光、R2 红外光）颗粒生长轨迹几乎一致，前 40 天粒径增长极慢，到第 44–48 天才勉强达到颗粒污泥 200 μm 的判定下限（p>0.05 无显著差异）。
- R3（Fe²⁺）与 R4（CPAM）在第 32 天 D50 即超过 200 μm，比同类研究约 50 天的成粒周期缩短 36%；实验结束时 R4 的 D50 稳定在 360±3 μm、R3 为 300±1 μm。
- 沉降性能：R1、R2 终沉降速度均为 65±2 m/h，SVI30 分别为 32.1 与 35 mL/g；R4 为 88±2 m/h、SVI30 20 mL/g，R3 为 84±2 m/h、SVI30 24.67 mL/g。
- EPS 中蛋白（PN）持续上升、多糖（PS）基本稳定，PN 主导造粒；R1/R2 终 PN/PS≈3.5，R3 达 4 且总 EPS 更高（显著优于 R4）。
- R1/R2 运行第 20 天 COD 去除率稳定在 89%；R3/R4 第 16 天即达 89%，最终稳定约 94%，对应去除速率约 0.94 kg COD/(m³·d)。
- Fe²⁺ 组（R3）终态色素与粗蛋白分别稳定在 135±3 mg/g 与 149±1 mg/g（生物量基），显著高于其他组，色素积累约为同类 PPB 典型值的 2 倍。
- 高值产物较其他组提升 12.5%–35%，折算资源价值 24.9±0.5 $·kg⁻¹。
- PPB 丰度：R1/R2 约 61%，R3 约 69%（较其他组高 9% 以上），R4 仅 58%；四组中 Rhodopseudomonas 均为绝对优势属，取代初始接种中的 Allochromatium。
研究背景与要解决的问题
PPB 具有代谢灵活性，在光照下可同时去除碳、氨和磷，并合成类胡萝卜素、细菌叶绿素、蛋白与 5-氨基乙酰丙酸等高值物质，故在废水资源化领域受到广泛关注。
但 PPB 细胞体积小、胞外分泌物少、zeta 电位显著为负，沉降性差；回收菌体需凝结-絮凝、超滤或固定化等附加技术，提升工艺复杂度和成本。
颗粒污泥技术以优异的沉降性能和结构稳定性降低分离成本；已有研究报告在连续流柱式反应器中以低（2–5 m/h）/高（6–9 m/h）上流速度、或结合上流速度调节与钠/钙/镁离子外源投加实现 PPB 颗粒化，但成粒普遍需要 50 天以上，启动期偏长。
造粒是微生物互作、胞外聚合物（EPS）调控与水动力剪切共同作用的多阶段过程；常用来强化造粒的策略包括投加金属离子、投加絮凝剂和接种特定菌株，但 PPB 代谢复杂，其对 Fe²⁺ 与 CPAM 的响应与其他污泥体系不同，且既往研究的光源条件不一致、难以横向比较。
概念与技术边界
PPB / PNSB
紫色光合细菌（含紫色非硫细菌），可进行光异养、光自养及暗好氧等多种代谢，能吸收红外至可见光，是废水资源化的功能菌群。
颗粒污泥（granular sludge）
微生物自聚集形成的致密球状聚集体，沉降快、结构稳定，可省去额外分离工序；工程上常以 200 μm 作为颗粒污泥的判定下限。
SVI30
30 分钟污泥容积指数，等于 30 min 沉降体积（mL/L）除以 MLSS（g/L）；数值越低表示沉降越密实。
EPS（PN/PS）
胞外聚合物，主要组分为蛋白（PN）与多糖（PS）；PN/PS 升高通常意味着细胞表面电荷下降、疏水性增强，有利于初始聚集。
CPAM
阳离子聚丙烯酰胺，靠电荷中和与吸附架桥加速初始造粒；本身不显著改变微生物 EPS 分泌。
Fe²⁺ 的双重作用
既通过阳离子架桥巩固颗粒基质，又作为细胞色素/卟啉辅因子参与电子传递与代谢，兼具结构与代谢功能。
体系与方法
| 环节 | 做法与参数 |
|---|---|
| 接种与废水 | PPB 接种体取自实验室紫色非硫细菌膜生物反应器的絮状污泥，转入 2.0 L 序批式光生物反应器（内径×高 700×520 mm）培养；接种体不含大聚集体但有少量生物膜片。 |
| 合成废水 | 以乙酸钠提供 2000 mg/L COD 作碳源与电子供体；另加 KH₂PO₄ 0.7 g/L、K₂HPO₄ 0.9 g/L 作 pH 缓冲，NH₄Cl 0.1 g/L、NaCl 5 g/L、NaHCO₃ 0.3 g/L、微量元素 1 mL/L、维生素 1 mL/L；进水用 1 M NaOH 调 pH≈7.0，并通氮气 15 min 维持厌氧。 |
| 反应器运行 | 有效容积 1.8 L，体积交换率 50%（进/出水位 0 L/0.9 L）；SRT=3 d，HRT=48 h；MLSS 维持约 2.5 g/L；外循环泵维持上流速度 13.03±0.34 m/h；温度 26±1℃；每 3 天对进水和反应器氮吹扫维持厌氧，并用钢刷清除壁面生物膜保证透光。 |
| 四组对照 | R1 全光谱白炽光（IL，30 W/m²）；R2 短波红外光（IFL，>780 nm，UV-Vis 滤光校准，30 W/m²）；R3 白炽光+FeCl₂·4H₂O（100 mg Fe²⁺/L）；R4 白炽光+CPAM（100 mg/L）。初始接种粒径分别约 25±2、25±2、25±3、25±1 μm，其余条件一致。 |
| 监测与取样 | 每 48 h 测污泥浓度、COD、NH₄⁺-N、粗蛋白与色素；每 96 h 测粒径分布与 SVI30；待连续三次 COD 去除率波动<5% 且平均粒径变化<10% 判定稳定后，取 16S rRNA V4 区高通量测序与 SEM 表征（样品 −80℃ 冻存或 2.5% 戊二醛固定）。 |
| 分析方法 | COD、NH₄⁺-N 按 APHA 法（检出限 0.1 mg/L）；MLSS/MLVSS 按 APHA，105℃ 烘干、550℃ 灼烧 2 h；色素用预冷甲醇-丙酮（7:2, v/v）暗处提取，按 A473、A771 公式计算类胡萝卜素与细菌叶绿素；粗蛋白用改进 Lowry 法（750 nm）；EPS 中多糖用蒽酮-硫酸法、蛋白用改进 Lowry 法；粒径用 Malvern APA2000 激光粒度仪（超声分散 40 kHz、5 min，量程 0.02–2000 μm）；SEM 用 JSM-7500F。 |
| 统计分析 | SPSS 26.0；单因素方差分析（ANOVA），先以 Shapiro-Wilk 检验正态性（p>0.05）、Levene 检验方差齐性，显著时用 Tukey HSD 事后多重比较，统一以 p<0.05 为显著。 |
主要结果（原文图表逐条解读）
图示信息：三张并排折线图，横轴为运行时间 0–72 d：(a) 平均粒径（μm）；(b) SVI30（mL/g）；(c) 沉降速度（m/h）；四条曲线对应 R1（黑星）、R2（红三角）、R3（蓝圆）、R4（绿方）。
论文结果：(a) 四组均自约 25 μm 起步；R3、R4 稳定增长、最终分别约 300 μm 与 360 μm（R4 明显最大），R1、R2 前约 16 天维持 20–60 μm，约第 40 天起陡增、终态约 200–210 μm。(b) 四组初始约 78–80 mL/g，R3、R4 下降最快、终值约 24.67 与 20 mL/g，R1、R2 在第 32–48 天陡降、56–64 天略有回升、终值约 32.1 与 35 mL/g。(c) 初始约 10–15 m/h，R4 升幅最大（约 88 m/h）、R3 约 84 m/h，R1/R2 在约第 24 天后增长趋缓、稳定在约 65 m/h。
研究意义：直观给出"单一光源不足以促成快速造粒、外源添加剂才是关键"的对照证据：添加剂组同时获得更大粒径、更低 SVI 和更高沉降速度，说明颗粒更致密、沉降更稳定。
图示信息：四面板图，每面板以堆叠柱表示 PN（蛋白）与 PS（多糖）含量（左轴，EPS mg/g_biomass，0–100），红线带标记表示 PN/PS 比（右轴，0–5.0），横轴为时间（d）。
论文结果：PN 为柱体主体、PS 占比较小；PS 基本稳定，PN 持续上升。a、b、d 面板中总 EPS 约从 45–55 mg/g 逐步上升并在第 38–40 天陡增至约 78–80 mg/g 后趋稳，PN/PS 由约 2 升至约 3.3–3.5。c 面板（R3）不同：EPS 连续增长、无单点突跃，最高达约 90–95 mg/g（约第 64 天），PN/PS 终值约 4.0。
研究意义：PN/PS 随粒径增大而升高，说明蛋白主导 PPB 造粒；Fe²⁺ 显著促进胞外蛋白分泌、带来最高总 EPS 与 PN/PS，为颗粒更大、沉降更好提供微组分基础；CPAM 对 EPS 几乎无贡献（其作用属物理化学架桥）。
图示信息：2×2 灰度 SEM 图，分别标注 R1、R2、R3、R4，每图右上角标 ×3300 与 1 μm 标尺。
论文结果：R1 为多孔、网架状薄片与丝状结构，空隙多；R2 为更厚、更连续的片层结构，孔隙较少；R3 为片层表面密布大量小颗粒/球状菌，并可见明显裂纹与团簇，丝状骨架被球菌密集定殖；R4 为致密团聚的颗粒状物质覆盖在不规则碎片上，表面粗糙、含少量孔隙。
研究意义：R1/R2 以丝状微生物为主、结构疏松多孔，与其较低颗粒强度和较小粒径一致；R3 丝状骨架内球菌富集填充孔隙，使结构致密稳定；R4 的团聚体主要由 CPAM 的物理化学架桥与吸附作用主导，而非微生物形态变化。
图示信息：四面板图，竖柱为出水 COD（左轴，0–500 mg/L），方点折线为 COD 去除率（右轴，40–100%），横轴为时间 0–72 d。
论文结果：四组出水 COD 均随时间下降、去除率上升。(a) 出水 COD 自约 420–450 mg/L 在 6–8 d 后快速降至约 200–220 mg/L，去除率由约 78–80% 升至约 90–91%。(b) 自约 420–460 mg/L 缓慢降至约第 28 天约 210–220 mg/L，去除率约 75%→约 90–91%。(c) 自约 400–420 mg/L 降至约 150 mg/L（32–40 d 后趋稳），去除率约 80%→约 93–94%。(d) 降至最低约 120–140 mg/L（第 30 天后），去除率约 78%→约 93–95%，为四组最高。
研究意义：COD 去除趋势与粒径变化一致且显著正相关（P<0.05），说明造粒改善污染物去除；添加剂组（尤其 R4、R3）动力学更快、终态出水更低，归因于 Fe²⁺ 的阳离子架桥与代谢辅因子双重作用、以及 CPAM 带来的高效菌体截留。
图示信息：2×2 面板图，横轴为时间 0–72 d；堆叠柱为色素（左轴，mg/g_biomass，0–180），下层为细菌叶绿素（Bacterophyll）、上层为类胡萝卜素；洋红线带圆点表示粗蛋白（右轴，mg/g_biomass，0–160）。
论文结果：四组色素柱在前约 35–40 天上升后趋稳，粗蛋白前段增长缓慢、约第 36–40 天出现明显跃升后趋于平台。(a)(b)(d) 总色素趋稳在约 100 mg/g（约 65 细菌叶绿素 + 约 35 类胡萝卜素），粗蛋白分别升至约 120、115–118、115 mg/g。(c)（R3）色素明显更高、约达 140 mg/g（约 95+45），粗蛋白最高、约由 95 升至约 150 mg/g。
研究意义：R3（Fe²⁺）在色素与蛋白积累上显著领先，说明 Fe²⁺ 作为卟啉辅因子促进色素合成与电子传递，并可能通过铁稳态机制上调核糖体合成相关基因以提高粗蛋白产量；其余三组水平相近。
图示信息：双向堆叠柱状图，横轴为样品 a–e，纵轴为丰度（%）；零线以上为"非 PPB 微生物群落"（至约 60%），零线以下为"PPB 微生物群落"（至约 −80%）；图例含 Rhodopseudomonas、Allochromatium、Blastochloris、Ectothiorhodospira、Rhodobacteraceae、Chloroflexaceae、Azoarcus、Stappia、Lentimicrobium、Pseudomonas、Desulfatitalea 及 others。
论文结果：样品 a（接种体）非 PPB 部分约 53%、PPB 部分约 −45%，以 Allochromatium 与 Rhodobacteraceae 为主、Rhodopseudomonas 很少；b–e（R1–R4）均出现显著的 Rhodopseudomonas 块段，PPB 部分明显扩大。样品 d（R3）PPB 部分最大、约 −70%，非 PPB 仅约 31%，是 PPB 丰度最高（约 69%）的一组；样品 e（R4）非 PPB 约 42%、PPB 约 −58%（丰度约 58%）。
研究意义：四种调控条件下核心菌群高度保守，Rhodopseudomonas 在四组均取代 Allochromatium 成为绝对优势属（归因于其 EPS 分泌、群体感应与光厌氧代谢多样性）；Fe²⁺ 形成选择性压力、维持最高 PPB 丰度，而 CPAM 虽能优化颗粒结构却未提高 PPB 丰度。
图示信息：列出 R1–R4 的光源参数、添加剂、初始接种粒径与其他运行条件。
论文结果：R1：全光谱白炽光（IL，30 W/m²），无添加剂，初始粒径 25±2 μm；R2：短波红外光（IFL，>780 nm，30 W/m²），无添加剂，25±2 μm；R3：IL 30 W/m²+FeCl₂·4H₂O（100 mg Fe²⁺/L），25±3 μm；R4：IL 30 W/m²+CPAM（100 mg/L），25±1 μm；其余运行参数各组一致。
研究意义：确认四组唯一变量为光源类型与是否投加促凝剂，为归因提供对照基础。
机制小结
- 外源促凝剂提供单一光源所缺失的聚集路径：CPAM 以强电荷中和与吸附架桥加速初始成粒，Fe²⁺ 以阳离子桥联巩固颗粒基质；仅靠光照只能供能、不能有效促进聚集，导致分散细胞与细小絮体占优。
- EPS 调控：造粒过程中 PN 持续上升、PS 基本稳定，PN/PS 随粒径增大而升高；PN 通过降低细胞表面电荷、提升疏水性促进初始聚集。Fe²⁺ 显著促进胞外蛋白分泌，使 R3 总 EPS 与 PN/PS 最高。
- Fe²⁺ 的代谢协同：作为卟啉/细胞色素辅因子促进色素合成与电子传递，并可能经铁稳态机制上调核糖体合成相关基因，从而同时提高色素与粗蛋白；在合适浓度下实现色素与蛋白协同增长，过量铁则可能引发氧化损伤。
- 群落选择：Rhodopseudomonas 因 EPS 分泌、群体感应与光厌氧代谢适应性成为绝对优势属；Fe²⁺ 施加选择性压力维持约 69% 的高 PPB 丰度，CPAM 则不改变群落丰度格局。
工程与产业含义
- 加速启动：在白炽光基础上投加 Fe²⁺ 或 CPAM，可把 PPB 颗粒污泥启动期由约 50 天缩短到 32 天（缩短 36%），接近成熟厌氧颗粒污泥体系的成粒时间。
- 选型权衡：若以最大粒径与最佳沉降为目标可选 CPAM（D50 360 μm、SVI30 20 mL/g）；若以综合资源回收为目标应优先 Fe²⁺——兼顾快速造粒、高 PPB 丰度（约 69%）与最高色素/蛋白产出。
- 处理性能：添加剂组在第 16 天即达 89% COD 去除，终态约 94%、约 0.94 kg COD/(m³·d)，显著高于同类 PPB 颗粒体系在相似 HRT、较低有机负荷下常见的 60–85%。
- 成本与风险：CPAM 在设施内残留降解会释放具神经毒性和致癌性的丙烯酰胺单体，Fe²⁺ 无控氧化生成的 Fe³⁺ 沉淀会提高浊度并影响水生态；需通过精确投加量控制与下游分离加以缓解。
- 下游与运行优化方向：絮凝剂等耗材、菌体收获、细胞破碎与产物纯化成本较高；可考虑连续流反应器设计、脉冲进料与动态曝气，以及低能耗提取技术来降低运行成本。
适用与不适用场景
✅ 适用场景
- 以乙酸钠等简单碳源、目标同时实现污染物去除与 PPB 高值产物（色素、蛋白、EPS）回收的实验室/中试光生物反应器。
- 需要快速启动、提升菌体沉降性以降低分离成本的 PPB 工艺场景。
- 需要在"粒径/沉降"与"PPB 丰度/产物积累"之间做取舍的造粒策略选型。
⚠️ 不适用 / 需谨慎
- 真实复杂废水的直接外推：本研究以乙酸钠为模型基质，与真实废水成分差异较大，需进一步用真实废水验证。
- 对生态风险敏感的场景：CPAM 残留与 Fe²⁺ 氧化产物的潜在环境风险需先评估。
- 以总氮/总磷达标为硬约束的场景：文中主要报告 COD 去除，氮磷去除表现未系统展开。
- 不愿额外投加化学药剂或承担耗材成本的连续流工程。
局限与不确定性
作者未解决 / 需要读者注意的问题
- 研究采用序批式反应器（HRT 48 h、SRT 3 d）与合成乙酸钠废水，未做真实废水与连续流长期验证。
- Fe²⁺ 投加仅设单一浓度（100 mg Fe²⁺/L），未系统给出最优剂量与过量铁的边界。
- 资源价值 24.9±0.5 $·kg⁻¹ 的具体核算过程见补充材料（Table S2），正文未展开。
- 16S rRNA 测序分辨率有限，非 PPB 菌群难以准确鉴定，其对颗粒稳定的功能作用尚未阐明。
- 未开展生命周期与技术经济评价，絮凝剂与下游提取成本未量化。
- 作者声明在写作过程中使用了 AI 润色语句（不涉及数据生成与分析）。
数据 · 代码 · 经费 · 利益冲突
数据可用性：Data will be made available on request。经费：国家自然科学基金（No. 42477068）、深圳市科技计划（JCYJ20230807121305010）、长江水环境教育部重点实验室（同济大学）基金（YRWEF202302）、绍兴市科技计划（2024A13008）。利益冲突：作者声明无已知竞争性经济利益或个人关系。补充材料见 doi:10.1016/j.bej.2026.110215。
来源与链接
- ScienceDirect 原文 — https://doi.org/10.1016/j.bej.2026.110215