近日，重庆大学环境与生态学院时文歆教授团队在环境领域著名学术期刊WaterResearch上发表了题为“Anovelstrategyforrapiddevelopmentofaself-sustainingsymbioticalgal-bacterialgranularsludge:Applyingalgal-mycelialpelletsasnuclei”的论文。文中利用菌丝球絮凝（包裹）微藻形成菌丝球裹藻凝结核，创新性地提出将其作为晶核快速培养自维持菌藻共生好氧颗粒污泥的新策略，深入探究了菌丝球裹藻凝结核强化自维持菌藻共生好氧颗粒污泥系统快速构建的作用机理。采用该策略后，菌藻共生好氧颗粒污泥在12天内可实现完全颗粒化，且具有粒径大、颗粒结构致密、沉降性能好、生物活性高、污染物降解能力强等优势特征。本研究为强化非曝气条件下菌-藻共生颗粒污泥的快速培养和系统稳定性提供了一种经济可行的新方法。

引言

众多的研究结果表明，与好氧颗粒污泥（Aerobicgranularsludge，AGS）相比，菌-藻共生好氧颗粒污泥（Algal-bacterialaerobicgranularsludge,ABGS）具有更加致密的颗粒结构，更好的沉降性能，更高效的除污染效能，以及良好的抗冲击负荷能力和结构稳定性。然而，ABGS系统仍然存在启动时间长、能耗高、藻类生物量易流失以及长期运行易失稳等问题。研究发现，在ABGS形成的初始阶段，藻细胞相互结合形成的微小团聚体可作为微生物粘附的核心，这种独特的结构有利于维持ABGS结构的稳定性，因此，利用藻类初始凝结核可能为加速污泥颗粒化过程提供一种新思路。然而，藻细胞尺寸小、沉降性能差、生长速度慢、静电斥力强等特性，使其难以通过自聚集形成初始核心。因此，如何实现藻细胞快速絮凝成核是一个关键问题。

本研究拟基于ABGS的自然形成规律实施人工强化，利用丝状菌絮凝（包裹）微藻，创新性地提出利用菌丝球裹藻凝结核定向诱导ABGS形成的新方法，深入探究菌丝球裹藻凝结核强化ABGS系统快速构建的作用机理，主要研究内容包括：（1）对mycelialpellets（MPs）、algal-mycelialpellets（AMPs）形成的关键参数进行优化，（2）探究ABGS的颗粒化过程和系统内物质转化机制，（3）考察ABGS的微观形态特征、胞外聚合物组成和群落结构的动态变化，（4）基于扩展的Derjaguin-Landau-Verwey-Overbeek（XDLVO）理论分析颗粒污泥中细胞表面相互作用能和污泥聚集能力，以及（5）阐释菌丝球裹藻凝结核强化ABGS快速形成的作用机制。研究成果为ABGS的定向诱导、快速形成和结构稳定性调控提供新的方法和思路，为ABGS技术的工程应用提供有力的理论指导和技术支撑。

图文导读

菌丝球裹藻凝结核的最佳合成条件

图1：MPs的生长曲线（a）；接种孢子密度（b）、pH（b）、转速（d）、温度（e）对MPs形成的影响；采用共培养法（f）和吸附法（g）时吸光度随时间的变化；MPs培养时间（h）、藻细胞投加量（i）和MPs投加量（j）对AMPs形成的影响；MPs（k）和AMPs（l）的微观形貌观察。

在最初72h内MPs的生物量急剧增加，随后进入稳定期（图1a）。图1b-e表明，MPs的最佳培养条件为：孢子浓度为6.3×106CFU/mL、pH为6.0、转速为150rpm、温度为30℃。对制备AMPs的方法进行了比较分析（图1f，g，l），得出吸附法为AMPs的最佳制备方法。通过考察MPs培养时间、MPs投加量和藻细胞投加量对絮凝效果的影响，进一步优化了AMPs的制备条件。当投加培养时长为3d的MPs、藻液投加量为50mL、MPs投加量为12g（湿重）时，藻细胞的絮凝效率达到最大值（~99.0%）（图1h-j）。

在最优条件下制备的MPs其核心结构紧凑、边缘松散、尺寸均匀（图1k）。MPs与AMPs除了颜色不同，形态上无明显差异（图1l）。SEM和TEM图像显示（图1l），小球藻紧密附着在菌丝上，主要分布在AMPs的外层。此外，长而致密的菌丝在AMPs内相互缠绕，使得AMPs表面形成了一定的通道和孔隙，这种多孔结构有利于氧气和营养物质传质。

菌丝球裹藻凝结核强化作用下污泥的颗粒化过程

图2：R1-R3中的ML(V)SS（a-c），SVI30和SVI30/SVI5（d），ABGS平均粒径（e），叶绿素α浓度（f）的变化情况。R1：对照组；R2：投加MPs；R3：投加AMPs。

活性污泥接种后，R1-R3中初始MLSS浓度约为3.6g/L，R2和R3中分别投加0.1g/L（干重）的MPs和AMPs（MPs/AMPs与AS的干重比为2.5%）。由图2可知，第12天时R3中污泥的平均粒径已超过300μm，SVI30/SVI5比值达到0.87，可知ABGS在12天内实现了完全颗粒化。此时，ABGS的粒径为3.3mm，MLSS浓度为2.2g/L，叶绿素α含量为3.8mg/L，SVI30值为53.2mL/g，与R1和R2中形成的ABGS相比之下，R3中的污泥性质更优。显微结构观察显示投加的AMPs主要位于ABGS的核心区域，证实了强化方法的有效性。上述研究结果表明，AMPs的投加有效地促进了自维持ABGS的形成，且细菌和藻类之间良好的共生关系有助于维持颗粒结构的稳定性。

污染物去除效能和质量平衡分析

图3：R1-R3中COD去除效率（a）、NO2--N和NO3--N出水浓度（b）、TN去除效率（c）、PO43--P去除效率（d）的变化情况。R1：对照组；R2：投加MPs；R3：投加AMPs。

R3系统中COD的平均去除率（98.6%）高于R1（96.4%）和R2（98.1%）（图3a），而三者之间NH4+-N去除效率差别不大（接近100%），不存在明显的NO2--N积累现象，表明ABGS体系具有良好的硝化性能。随着运行时间的延长，R1-R3系统中出水NO3--N浓度有明显的下降趋势，相应地，TN去除效率得到提高（图3b和c）。第35天时R3系统出水中NO3--N浓度（11.5mg/L）低于R1（19.5mg/L）和R2（12.5mg/L）（图3b）。这可能是由于R3系统中颗粒粒径较大，颗粒内部的厌氧/缺氧区域为反硝化细菌的生长创造了有利的条件。由图3d可知，R3系统对PO43--P的平均去除效率超过80.0%，表现出较好的PO43--P去除效果。由图4可见，污水中的C、N、P主要通过细菌代谢去除，R3系统中微藻对C、N、P的去除贡献率分别为34.6%、17.0%、10.0%，明显高于R1和R2。R3系统中投加的AMPs絮凝了较多的藻细胞（絮凝效率达到99%），而藻类（特别是绿藻）能够吸收氮、磷等营养物质作为能量来源合成细胞物质，这可能是该系统除污染效能较高的重要原因。

图4：R1-R3反应器中ABGS的C、N、P质量流。R1：对照组；R2：投加MPs；R3：投加AMPs。

基于XDLVO理论的表面热力学分析

图5：接种污泥（a）和R1-R3系统中污泥的XDLVO位能曲线（b-d）。R1：对照组；R2：投加MPs；R3：投加AMPs。

在XDLVO理论总位能曲线上大都存在一个最高点，称为斥力势垒，只有当微生物粒子具有能够翻越过这个势垒的动能，才能发生絮凝沉降，所以斥力势垒的高低往往决定着体系的稳定性大小。势垒越高，说明体系越稳定，絮凝沉降性能越差；反之，势垒越低，微生物只需要较低的动能就可以翻越势垒，容易发生沉降。在本研究中，通过比较各个系统中污泥的总势能曲线，发现R1和R2系统中的污泥其能垒分别为138.98kT和109.64kT，显著高于R3系统中的能垒（89.93kT），表明投加菌丝球裹藻凝结核强化形成的ABGS具有最低的能量势垒和较强的微生物聚集能力。

细菌、藻类和真菌的群落结构分析

图6：接种污泥和R1-R3系统中形成的ABGS在门水平（a）和属水平（b）上微生物种群的相对丰度，ABGS中的藻类在属水平的相对丰度（c）和真菌在属水平上的相对丰度（d），属分类水平上的热图（e），相对丰度位于前20个的菌属与EPS含量和N、P去除效率之间的聚类分析（f）。R1：对照组；R2：投加MPs；R3：投加AMPs。

随着颗粒化过程的进行，三个光生物反应器中放线菌门（Actinobacteriota）的相对丰度急剧下降至0.21%以下（图6a），变形菌门（Proteobacteria）的相对丰度显著提高，尤其是R3中该菌门的相对丰度增加至62.68%，是接种污泥的3.7倍。在属水平上，所有ABGS样品中的优势菌属与接种污泥的优势菌属具有明显的差异性（图6e）。具体地说，R1、R2和R3系统中属于变形菌门的Neomegalonema其相对丰度分别增加至43.82%、20.71%和46.11%（图6b）。本研究进一步将相对丰度位于前20的微生物种属与EPS含量和TN、PO43--P去除效率之间进行了相关性分析，发现TN、PO43--P去除效率和EPS含量与Neomegalonema呈正相关关系（图6f）。已有研究显示，Neomegalonema不仅是一种聚磷菌，且能够吸收有机物质和含氮物质，同时也是一种重要的胞外聚合物产生菌，与本研究的结果相一致。

在藻类的属分类水平上，R3系统中Chlorella_f_Cholrellaceae的相对丰度（23.25%）高于R1（18.52%）和R2（11.68%），表明MPs絮凝的小球藻在R3系统中得到了有效富集（图6c）。小球藻在生长过程中能够将废水中的N和P同化为磷脂、核酸和核苷酸等细胞成分，从而有利于废水中营养物质的去除。图6d显示了ABGS中真菌在属水平上的分布情况。由图可知，R1、R2和R3系统中优势真菌分别是弯颈霉属（Tolypocladium）、链枝菌属（Catenaria）和黑曲霉菌属（Aspergillus）。R3中Aspergillus在的相对丰度为38.76%，明显高于R1（0.96%）和R2（3.76%）中的相对丰度。以上研究结果显示，AMPs中的Aspergillus在光生物反应器中具有较好的适应性，可维持较好的生物活性。

小结

本研究基于菌-藻共生好氧颗粒污泥（ABGS）的自然形成规律，提出了一种利用菌丝球裹藻凝结核强化无曝气条件下自维持菌-藻共生好氧颗粒污泥快速形成的新方法。结果表明，ABGS可在12天内实现完全颗粒化，且具有粒径大、结构紧凑、沉降性能好、生物活性高、去除污染物效果优异等特点。微观观察显示，定向投加的藻类（Chlorella）和真菌（Aspergillus）作为颗粒污泥的核心。此外，本研究从胞外聚合物组成成分、群落结构组成（真菌、细菌和藻类）以及微生物聚集能力等角度，系统解析了菌丝球裹藻凝结核强化污泥快速颗粒化的作用机制。

近年来，水体中频繁检出的抗生素、全氟化合物和微塑料等化学品已经成为一类不可忽视的新污染，给饮用水安全带来潜在风险和巨大挑战。国家“十四五规划”中已明确提出了“重视新污染物治理”的工作部署，而新污染物治理作为饮用水源污染防控的重要新领域，目前缺乏切实有效的防控技术与治理手段。通过梳理国内外涉及饮用水新污染物的政策与行动计划发展情况，分析新污染物相关研究和技术的发展态势，总结本领域的发展目标和重点任务，提炼出前沿科学问题和关键技术，为应对新污染物所带来的饮用水安全保障新挑战提供参考。

侯立安，中国工程院院士，主要研究方向为水安全与水资源保障技术。

《中华人民共和国国民经济和社会发展第十四个五年规划和2035年远景目标纲要》中明确提出了“重视新污染物治理”的工作部署。新污染物（Emerging contaminants, ECs）是指新近发现或被关注，对生态环境或人体健康存在风险，尚未纳入管理或者现有管理措施不足以有效防控其风险的各类污染物。新污染物由于其生物毒性、环境持久性和生物累积性明显，在环境中即使浓度较低，也可能具有显著的环境与健康风险，其危害具有潜在性和隐蔽性，因此，这类污染物一旦进入饮用水源，将会给人民群众健康带来较大风险。
由于饮用水安全是关系人民群众健康的重要问题，我国政府高度重视传统水源污染带来的饮用水安全问题，从政策规划、标准制定以及关键技术研发等方面多举措并行，构建饮用水源污染防治与安全保障体系。经过持续不断的努力，我国饮用水安全现状得到了显著改善。但近年来，国内外诸多水体中频繁检出的微塑料、内分泌干扰物、药物及个人护理品等新污染物给饮用水安全保障带来了新挑战，成为国际上饮用水领域的研究热点。
这些新污染物存在类别多、浓度低、环境迁移转化路径不清晰、健康风险不明确、常规处理技术效率不高以及相关法规标准不完善等问题，导致对饮用水源中出现的新污染物尚缺乏切实有效的防控技术与治理手段。本文将梳理国内外涉及饮用水新污染物的政策与行动计划发展情况，分析新污染物相关研究和技术的发展态势，总结本领域的发展目标和重点任务，提炼出前沿科学问题和关键技术，为应对新污染物所带来的饮用水安全保障新挑战提供参考。
01新污染物的来源与环境迁移情况
水体是新污染物在环境中分布的主要载体，地表水、地下水、暴雨废水、饮用水和各类污废水等水环境中都有检测到新污染物的相关报道。目前，水环境中比较受关注的新污染物主要包括：内分泌干扰物、药物及个人护理品、人工纳米材料、全氟化合物、溴化阻燃剂和多环芳烃等，其主要来源包括：
·生活污水；
·农药排放污水；
·制药企业排放污水；
·养殖业废水；
·农业废水；
·医院废水等。
新污染物在水循环系统中，通过径流、扩散、渗滤等多种途径进入地表水和地下水，造成饮用水源的污染，对水生生物、生态安全和人身健康构成了潜在威胁。其中，污水处理厂是新污染物的重要汇聚地和发散地，因为大部分新污染物具有亲水特性，在传统处理过程中难以完全去除，在二级出水甚至三级出水中仍能够检测到这些新污染物，导致污水处理厂出水成为新污染物进入自然水生环境的关键节点，进一步通过环境迁移和转化扩散到其他水源中。
虽然“源输入-河流-水库”的新污染物迁移与转化模式具有一定的普遍性，但是绿化等环境因素、降雨量等季节性差异和人口密度等社会经济状况也会影响新污染物的转移路径，例如我国西部大范围的绿化面积能够有效拦截微塑料类新污染物经过地表径流进入污水处理厂。目前，饮用水源新污染物转移过程中存在的问题在于对转移路径缺乏自动监控，尚难以绘出较为准确的新污染水环境分布与迁移路径图。
02饮用水源中新污染物防控研发现状
2.1 全球政策与行动计划概况
近年来，全球很多国家对饮用水源中新污染物防控与去除提出了相关政策和行动方案，以保障饮用水安全、维护人们生命安全和健康。图1给出了我国、欧盟和美国有关水环境中新污染防控以及饮用水中涉及新污染物的相关政策和行动计划情况。

图1 我国、欧盟和美国有关水环境中新污染防控政策和行动计划概况
如图1中灰色框所示，美国自20世纪90年代中期开始关注水环境中邻苯二甲酸酯（PAEs）和多氯联苯（PCBs）等新污染物；2006至2013年期间先后出台《地表水水质标准》《关于直接饮用再利用系统的公共卫生标准的报告》等水质标准，对地表水及直饮水回用二级出水中部分药物及个人护理用品（PPCPs）、内分泌干扰素（EDCs）等设置浓度限值，并颁布了《饮用水安全法（Safe Drinking Water Act）》，完善了饮用水中新污染物的监测指标，对多种EDCs、全氟化合物（PFAS）、PCBs、多环芳香烃（PAHs）等设置浓度限值。2019年，美国环保署出台了针对全氟辛烷基磺酸（PFOS）和全氟辛酸（PFOA）的行动方案，此项举措进一步推动了对饮用水中该类物质的有效监管。
图1中浅蓝色框给出了欧盟对水环境中新污染物防控的有关政策和行动方案。2000年，欧盟理事会和欧洲议会发布了欧洲水框架指令（Water Frame Directive, WFD），以改善水资源状态。该指令开发了基于计分排序的优先污染物筛选方 法，为欧盟各国在水资源管理和保护领域提供了重要指导。随着对新污染物认知的深入，于2006年和2011年又对WFD进行修正，完善了EDCs、PPCPs、PFOS等的地表水质量标准。近年来，欧盟设立的“Modelkey”计划对毒性评估项目进行了支持，促进了效应导向分析法（Effect-directed Analysis，EDA）的发展，为新污染物监测标准的制定提供了科学基础。随着数字革命的发展，欧盟进一步启动了旨在支持水务信息化发展，实现智慧水务的一系列项目，整合科研力量，成立 “Ctrl+SWAN”（Cloud Technologies and Real Time Monitoring+ Smart Water Network）行动组，为新污染物在线监测研究提供了支撑。
我国对水环境中新污染物的防控也给予了高度关注，并采取了一系列相关措施（图1中深蓝色框）。20世纪90年代以来，以国家环境保护总局发布的《污水综合排放标准（1996年）》《城镇污水处理厂污染物排放标准（2002年）》《地表水环境质量标准（2002年）》《生活饮用水水质卫生规范（2006年）》等为引导，从源头到末端不断完善对新污染物的控制要求。部分新污染物在饮用水中的限值浓度已低于美国环境保护署和世界卫生组织规定的限值。“十三五”规划（2016-2020年）期间，为顺应智慧城市的发展潮流，推进水务信息化建设，先后在上海浦东新区和深圳建立区域智慧水务平台，为新污染物的智慧监测提供平台［10］。2021年10月生态环境部组织编制了《新污染物治理行动方案（征求意见稿）》，提出了6个方面共25条具体措施。
2.2 饮用水源中新污染物防控研究现状
新污染物的概念是2003年PETROVI等首次提出，通过分析以“Emerging contaminants”为作者关键词检索web of science核心集收录论文情况(如图2所示)，可以发现虽然新污染物的概念提出时间不长，但迅速受到广泛关注，近年来的论文发表数量几乎呈指数级增长，成为环境领域的研究热点。

图2 2003-2021年新污染物领域年度新增论文数量变化趋势

通过分析2003-2021年web of science核心集收录论文涉及的研究领域和热点，可以确定新污染物领域密切相关的学科和领域。如图3所示，文献检索的高频率关键词是"water"，进一步说明以水体为载体的分布形式是新污染物的主要分布形式。同时可以看出，全球新污染物领域研究热点主要集中在药物及个人护理品等污染物、毒性评估、去除技术等方面。这些研究显示出新污染物的研究主要属于环境科学和环境工程的学科范畴，但除此之外，最密切相关的则是水资源、化学工程、分析化学和毒理学，表明水环境中新污染物的去除、检测和毒理风险是最为关注的方向。

图3 2003-2021年新污染物领域研究热点方向

2.3 饮用水源中新污染物防控面临的挑战
水环境中的新污染物的主要特征是浓度低、种类多、物化性质复杂，由此给饮用水源中新污染物的防控带来了一系列的挑战，存在新污染物的来源、区域污染特征、影响其多介质分布的迁移转化行为等环境地球化学属性不明；新污染物的暴露途径复杂，其环境生态与健康毒性的认识不一；现有技术处理、处置新污染物时效率不高等问题。具体包括如下几个方面：
（1）新兴污染物一般浓度较低、成分未知，定性和定量分析难度大，目前的检测技术常包含萃取、净化、浓缩富集等多个前处理步骤，操作较为繁琐，传统随机采样以及实验室分析技术容易产生时间差，存在滞后性。
（2）由于监测难，使得新污染物分布状况和区域特征污染的系统研究缺乏，因此，对我国饮用水源的新污染物污染状况认识存在两极分化：过分渲染和完全无视的现象并存。
（3）饮用水源新污染物的检测和控制未纳入工厂排放标准和废水监测标准，缺乏分类治理、全过程环境风险管控的依据和基础。
（4）在健康与风险评价方面，缺乏对新污染物健康风险分子水平的认识，和长期低水平暴露对健康的影响，另外，当前风险评价多基于单一新污染物，缺乏多污染物复合评价。
（5）新污染物的物化性质、生态风险和毒理毒性与传统污染物有本质区别，传统的分析方法、研究手段和处置措施难以简单地移植到新污染物防控领域，而新技术大多停留在试验阶段，中试或实际运行规模的尚未广泛应用。
03饮用水源新污染物防控关键技术的发展方向
针对我国饮用水源中新污染物防控的上述挑战，应以有效防范新污染物环境与健康风险为核心，以构建新污染物的风险评价与控制技术体系，建立完善风险评价方法学，识别重点风险源为目标，开展一系列基础理论和关键技术的研发。
为此，需要大力发展高效、灵敏的新污染物检测技术实现污染物识别和清单研究，开展新污染物生物毒性和健康风险评价体系研究，发展绿色、高效的新污染物实用去除技术，研发并构建大数据分析的新污染物转化迁移体系的智慧化水网；通过攻克上述关键支撑技术，研发具有自主知识产权和国际竞争力的新污染物防控技术装备，掌握一批世界领先的关键核心技术，实现新污染物防控体系的标准化、优质化；基于上述实用型去除技术和智能化供水系统对水厂进行升级改造，建立相互关联和依托的示范工程，如图4所示。最终实现饮用水源新污染物防控从基础理论到关键技术再到工程应用的整体提升。

图4 我国饮用水源中新污染物防控发展趋势