华南所（应急所）赵子文课题组在藻菌颗粒污排与新污染物胁迫响应方面取得系列进展

  近日，生态环境部华南环境科学研究所（生态环境部生态环境应急研究所）赵子文课题组围绕藻菌颗粒污泥氧化亚氮减排与新污染物胁迫响应开展系列研究，相关成果先后发表于《Bioresource Technology》《Journal of Environmental Chemical Engineering》和《Chemical Engineering Journal》等环境领域期刊。系列研究构建了莱茵衣藻驱动的藻菌颗粒污泥体系，阐明光照调控氮素转化与氧化亚氮归趋的作用机制，揭示抗生素—重金属复合胁迫下耐药基因的潜在传播风险，并验证藻菌颗粒污泥与膜生物反应器耦合强化酿造废水处理的可行性，为藻菌颗粒污泥系统的碳减排调控、耐药传播风险识别与处理工艺强化提供了新的科学依据。赵子文副研究员为相关论文的第一作者或通讯作者。 

一、研究背景 

  氧化亚氮（N₂O）是污水生物脱氮过程中产生的强效温室气体，主要形成于硝化和反硝化过程。其增温潜势远高于二氧化碳，控制N₂O的生成与释放是降低污水处理过程碳排放的重要环节。藻菌颗粒污泥融合了微藻光合供氧、细菌污染物转化与颗粒内部空间分区，可减少曝气需求，并利用颗粒内部的好氧—缺氧微环境协同去除有机物和氮、磷，为N₂O减排提供了新的技术路径。光照同时影响微藻供氧与氮素同化，以及硝化、反硝化和N₂O还原过程。阐明不同光照条件下氮素在同化、硝化和反硝化等过程中的转化与归趋，以及这些过程对N₂O产生和消耗的影响，是实现藻菌颗粒污泥碳减排调控的关键。

  藻菌体系的应用还面临新污染物与复杂废水带来的挑战。海水养殖尾水具有盐度高、碳氮比低等特征，抗生素与重金属的复合胁迫不仅会影响硝化、反硝化等过程，还可能改变耐药基因与可移动遗传元件的丰度及关联，增加耐药基因水平转移的潜在风险。在工艺应用方面，酿酒废水有机负荷高、组分复杂，膜生物反应器运行中还面临膜污染问题，藻菌颗粒的稳定结构和藻菌协同作用为提升处理效能、缓解膜污染提供了新的可能。基于上述问题，课题组围绕藻菌颗粒污泥的N₂O减排与光调控机制、海水养殖尾水土霉素（OTC）–Cu²⁺复合胁迫响应，以及膜工艺耦合强化酿酒废水处理开展了系列研究。

二、主要研究进展 

  （一）构建莱茵衣藻驱动体系并揭示光照调控N₂O机制 

  课题组在光序批式反应器中引入高效氮同化潜力的莱茵衣藻，构建了莱茵衣藻驱动的藻菌颗粒污泥体系。运行48天后，系统形成平均粒径0.5 mm的紧密颗粒（图1a），污泥浓度达到2.1 g/L，SVI5/SVI30为1.0，叶绿素a含量增至6.6 mg/g-VSS。系统COD去除率稳定在约90%，总氮去除率高达69.4%；N2O排放因子由4.2降至0.4 g N2O-N/kg 脱氮量，降幅约90.5%，表明该体系能够在保持污染物高效去除的同时降低温室气体排放。 

  在上述体系基础上，课题组进一步考察了光照强度对成熟藻菌颗粒污泥氮素转化和N₂O排放的影响，并结合稳定同位素与功能基因分析追踪氮素转化路径。低光照（20 PPFD）下，氨氧化延迟并出现亚硝酸盐滞留；中等光照（120 PPFD）下，氨氧化、反硝化与微藻同化耦合较好，N2O快速形成后被有效消耗，末期残留较低；高光照（360 PPFD）虽加快氨氧化并强化微藻同化，却因颗粒致密化和表层氧暴露增强而限制N2O向N2的最终还原，造成较高残留（图1b-c）。结果表明，光照条件可通过调节颗粒内部氧环境和氮素转化路径，共同影响N₂O的产生与消耗。在本研究的短期阶梯光照和密闭循环曝气条件下，120 PPFD表现出较好的氮转化与N2O控制平衡。 

图1 不同光照强度下氮素分配与N2O动态的调控机制 

（二）识别OTC–Cu²⁺复合胁迫下的耐药传播风险 

  针对海水养殖尾水中抗生素与重金属复合污染问题，课题组采用4个光序批式反应器开展了140天连续试验，依次考察单一土霉素（OTC）及OTC–Cu²⁺复合胁迫的影响。在最高复合胁迫条件下，系统对COD、无机氮和磷酸盐的去除率仍分别达到86.7%、98.0%和95.8%，OTC实现完全去除，Cu²⁺去除率达到91.0%。研究发现，Cu²⁺输入触发了藻菌聚集体由胞外缓冲向胞内解毒和损伤修复转变，亚硝酸盐氧化是较敏感的功能环节。经过驯化，系统通过颗粒结构重组、耐盐功能菌替代和反硝化路径冗余恢复污染物去除能力。然而，在tet耐药基因丰度低于0.02%的情况下，转座酶基因tnpA仍显著富集，表明污染物去除能力恢复并不意味着转座子介导的耐药传播风险同步消除。

图2 OTC—Cu²⁺复合胁迫下藻菌聚集体的功能恢复与耐药传播风险 

  （三）耦合膜分离工艺强化酿酒废水处理 

  针对酿酒废水难降解有机物去除和膜污染问题，课题组构建了藻菌颗粒污泥膜生物反应器，并与传统活性污泥膜生物反应器进行对比。在碳氮比为8时，藻菌颗粒污泥膜生物反应器表现出更佳的处理效能与膜污染控制能力，COD、对甲酚、氨氮、总氮和磷酸盐去除率分别达到93.1%、82.1%、78.6%、65.7%和70.0%。其总过滤阻力约为传统活性污泥膜生物反应器的70%，跨膜压差上升速度也更慢。研究表明，稳定的颗粒结构、增强的碳氮磷代谢潜力、较低的松散结合型蛋白质类胞外聚合物积累，以及较疏松的滤饼层结构，共同促进了污染物去除和膜污染缓解。 

图3 藻菌颗粒污泥膜生物反应器强化处理与缓解膜污染的协同机制 

  三、小结与展望 

  系列研究围绕藻菌颗粒污泥的N₂O减排、复合污染胁迫响应和膜耦合处理技术展开。研究表明，莱茵衣藻驱动的颗粒化体系能够兼顾污染物去除与N₂O减排，光照则通过改变光合供氧、颗粒微环境、氮素转化及N₂O最终还原过程，影响N₂O的产生与归趋。在OTC–Cu²⁺复合胁迫下，藻菌体系通过结构重组、耐盐功能菌替代和代谢路径冗余恢复污染物去除能力，但转座酶基因富集所反映的耐药传播风险仍可能持续存在。此外，藻菌颗粒污泥与膜生物反应器耦合可提高酿酒废水处理效能，并通过改善颗粒结构、胞外聚合物组成和滤饼层特征缓解膜污染。 

  上述研究深化了对藻菌颗粒污泥N₂O减排机制、抗生素—重金属复合胁迫响应及膜污染控制机制的认识。下一步将面向污水处理碳减排和新污染物治理需求，重点推进实际应用条件下的长期运行和中试验证，进一步提升系统对复杂水质和负荷波动的适应能力，深化新污染物去除、温室气体减排和资源回收研究，促进藻菌颗粒污泥技术低碳、稳定运行与工程化应用。 

四、相关论文 

  1. Microalgae-driven algal–bacterial granular sludge with Chlamydomonas reinhardtii to mitigate N2O emissions. Water, 2026, 18(3), 349. DOI: 10.3390/w18030349 

  2. Light regulated nitrogen partitioning governs N2O fate in Chlamydomonas reinhardtii–driven algal bacterial granular sludge. Journal  of Environmental Chemical Engineering, 2026, 14, 124331. DOI: 10.1016/j.jece.2026.124331 

  3. Functional recovery masks transposon mediated resistance transfer risk in synthetic mariculture wastewater treatment via microalgal–bacterial aggregates under oxytetracycline–copper co-stress. Chemical Engineering Journal, 2026, 545, 179489. DOI: 10.1016/j.cej.2026.179489 

  4. Enhanced treatment performance and fouling mitigation in an algal-bacterial granular sludge-membrane bioreactor for liquor wastewater treatment. Bioresource Technology, 2026, 462, 135600. DOI: 10.1016/j.biortech.2026.135600 

五、作者简介 

  赵子文：副研究员，生态环境工程技术研究创新中心研究室主任，主要从事污废水及有机固体废物生物处理与资源化利用研究。承担重点流域和小微水体精准治理、典型行业及园区突出环境问题整治等技术服务项目10余项，主持国家重点研发计划子课题、所基本科研业务费重点项目、广东省省市联合青年基金及广州市科技项目等科研项目5项。以第一作者或通讯作者发表SCI论文30余篇，H指数为22；获授权专利11项，其中发明专利7项。