原生动物群落及其在好氧颗粒污泥中对大肠杆菌捕食的贡献

《Environmental Science & Technology》：Protozoan Communities and Their Contribution to Predation on E. coli in Aerobic Granular Sludge

　　原核生物在污水处理中的作用及原生动物群落分布特征。

　　在污水处理系统中，原生动物发挥着重要作用，尤其是在通过捕食行为促进水体净化方面。本研究聚焦于全规模好氧颗粒污泥（Aerobic Granular Sludge, AGS）反应器中的原生动物群落及其对人类相关细菌（如病原菌）的去除能力，特别是不同粒径的AGS颗粒之间的差异。研究发现，AGS反应器中较大颗粒（>2 mm）占据主导地位，而不同粒径的AGS颗粒呈现出不同的污泥形态和微生物组成。通过使用荧光标记的*Escherichia coli*（大肠杆菌）作为模型，研究人员在六种AGS粒径组分以及传统活性污泥中进行了捕食实验和显微观察，以探讨原生动物群落的分布及其对*E. coli*的捕食行为。

原生动物是自然水体中广泛存在的生物，它们在水生生态系统中扮演着关键角色，不仅参与食物链的构建，还在人工生态系统如污水处理厂中发挥着重要作用。在传统的活性污泥系统中，原生动物种类多样，其中纤毛虫（ciliates）在生物量和物种多样性方面占据主导地位。这些纤毛虫具有捕食行为，能够有效去除悬浮细菌和颗粒物质，从而对水体净化做出重要贡献。此外，原生动物的存在还能调节细菌群落结构，对水质改善具有积极影响。

在全规模AGS反应器中，原生动物的组成并非静态，而是受到多种因素的影响。例如，污泥停留时间（Sludge Retention Time, SRT）的变化会影响原生动物的种类分布，通常随着SRT的增加，自由游动纤毛虫会逐渐被附着型纤毛虫取代。此外，有机物负荷的变化也会影响原生动物的多样性，较高的负荷可能导致某些原生动物种类的减少。不同类型的污泥形态，如附着型生物膜或多细胞聚集体，也可能影响原生动物的组成。例如，细菌形成的表面附着生物膜可能有助于其抵抗捕食，从而选择性地促进具有更强捕食能力的原生动物的生长。因此，不同粒径的AGS颗粒中可能存在的原生动物群落差异，反映了其在污水处理中的不同功能和作用机制。

AGS作为一种紧凑且高效的生物膜形式，已被广泛应用于污水处理，因为它具有良好的沉降性能和适用于紧凑反应器设计的优势。在全规模AGS反应器中，颗粒大小分布广泛，其中较大颗粒（>2 mm）占主导地位，而中等（0.2–2 mm）和较小颗粒（<0.2 mm）也存在。这些不同粒径的AGS颗粒呈现出不同的微生物组成，这可能与它们在反应器中的物理结构、流体动力学条件以及微生物相互作用有关。尽管已有研究探讨了AGS颗粒在形成过程中的原生动物群落变化，但对全规模AGS反应器中不同粒径颗粒内原生动物群落及其对细菌去除能力的影响仍知之甚少。因此，本研究旨在通过实地采集并分析不同粒径AGS颗粒和活性污泥中的原生动物群落，揭示其在*E. coli*去除中的作用。

研究采用荧光标记的*E. coli*进行捕食实验，并结合显微镜观察来评估原生动物的捕食行为。结果表明，在六种AGS粒径组分中，附着型纤毛虫（如*Epistylis*和*Vorticella*）是主要的原生动物类型，其中*Epistylis*在较大颗粒（>1 mm）中更为丰富，而*Vorticella*则在较小颗粒（<1 mm）中占据主导地位。这一发现揭示了原生动物群落在不同粒径AGS颗粒中的分布规律，可能与颗粒的物理结构和微环境有关。此外，研究还进行了模拟实验，分别在好氧和厌氧条件下评估*E. coli*的去除能力。结果表明，捕食是*E. coli*去除的主要途径，相较于非捕食性的生物和非生物过程，捕食能够额外减少0.5到2.5个对数单位的*E. coli*浓度。较大粒径的AGS表现出更强的捕食能力，这可能与其较高的*Epistylis*丰度有关，而活性污泥中由于*Vorticella*的主导，其捕食能力相对较低，更接近较小粒径AGS颗粒的水平。

在AGS系统中，捕食行为不仅影响*E. coli*的去除效率，还可能对整个微生物群落产生深远影响。例如，某些纤毛虫种类具有选择性捕食的能力，这可能有助于调节细菌群落结构，提高系统的稳定性。此外，原生动物的捕食行为可能对病原菌的去除起到关键作用，从而有助于降低水体中潜在的健康风险。然而，目前关于AGS系统中原生动物捕食对病原菌去除的具体贡献仍缺乏系统研究。因此，进一步探索不同粒径AGS颗粒中原生动物的捕食行为及其对病原菌去除的影响，对于优化AGS系统的运行参数和提高水处理效率具有重要意义。

在实际应用中，AGS系统的性能不仅取决于其物理结构和微生物组成，还受到多种操作参数的影响。例如，SRT的变化可能会影响原生动物的种类和数量，进而影响其对细菌的去除能力。此外，AGS颗粒的粒径分布可能对系统整体的去除效率产生影响。较大的颗粒可能提供更适宜的微环境，促进原生动物的生长和捕食活动，从而提高*E. coli*的去除率。相反，较小的颗粒可能由于其结构和环境条件的限制，导致原生动物的捕食能力下降。因此，通过优化AGS颗粒的粒径分布，可能有助于提高系统的净化能力。

在研究过程中，实验设计考虑了多种因素，以确保结果的准确性和可重复性。例如，通过在不同时间点采集样本，并进行多次重复实验，研究人员能够更全面地了解原生动物的动态变化及其对*E. coli*去除的影响。此外，实验还通过比较好氧和厌氧条件下的*E. coli*去除情况，进一步验证了捕食在其中的主导作用。这种实验方法不仅有助于区分捕食和其他去除机制的贡献，还能够为实际污水处理系统的优化提供理论依据。

研究还发现，不同粒径AGS颗粒中的原生动物种类和数量存在显著差异。例如，较大的颗粒中*Epistylis*的丰度较高，而较小颗粒中则以*Vorticella*为主导。这一现象可能与颗粒的物理结构和环境条件有关。较大的颗粒可能提供了更多的附着位点，使得*Epistylis*等附着型纤毛虫能够更有效地捕食细菌。而较小的颗粒由于体积较小，可能限制了某些原生动物的生长和活动，从而降低了其捕食能力。此外，实验还发现，尽管在较大颗粒中观察到较高的原生动物数量，但其生物量归一化的丰度反而较低，这可能是由于较大颗粒内部存在厌氧环境，抑制了原生动物的生存和活动。

这些发现对于理解AGS系统中原生动物的生态功能和其在污水处理中的作用具有重要意义。通过揭示不同粒径AGS颗粒中原生动物的分布及其捕食行为，研究人员能够更好地评估其对*E. coli*等细菌的去除能力。此外，研究还指出，虽然*Vorticella*在活性污泥中占据主导地位，但其捕食能力较弱，这可能与活性污泥的物理特性和环境条件有关。因此，在优化AGS系统时，应优先考虑较大颗粒的分布，以提高系统的净化效率。

在实际应用中，AGS系统的优化需要综合考虑多种因素，包括颗粒粒径、原生动物组成、操作参数等。通过调整这些因素，可以提高系统的整体性能，使其更有效地去除病原菌和有机污染物。此外，进一步研究不同粒径AGS颗粒中原生动物的捕食行为及其对其他细菌种类的去除能力，将有助于更全面地理解AGS系统的生态功能，并为未来的污水处理技术提供理论支持。同时，研究还强调了在实际操作中，应关注原生动物的动态变化及其与微生物群落之间的相互作用，以确保系统的稳定性和高效性。