湘潭大学冯波、张鹏团队CEJ：通过活性污泥藻青素回收磷酸盐——吸附机理及作为氮磷肥

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成果简介

近日，湘潭大学环境与资源学院冯波教授和张鹏副教授团队在国际知名学术期刊 Chemical Engineering Journal 上发表了题为“ Phosphate recovery using activated sludge cyanophycin: Adsorption mechanism and utilization as nitrogen-phosphorus fertilizer ”的研究论文 。该研究探讨了从活性污泥中提取的藻青素颗粒多肽（ CGP ）在废水磷酸盐回收利用和氮磷肥中的应用潜力。结果表明， CGP 对磷酸盐的吸附行为符合 Elovich 和 Langmuir-Freundlich 模型， CGP 中的胍基部分参与磷酸盐的结合， DFT 计算吸附能为 –0.645 eV 。由幼苗培育、根际微生物稀有物种的群落变化和油菜转录组学结果显示， CGP 吸收的磷酸盐能显著促进油菜的萌发和生长。这些结果表明， CGP 可以有效地回收磷酸盐，可作为氮磷肥料使用 。

全球人口增长和不断扩大的城市化导致废水处理厂（ WWTP ）的城市污泥（或生物固体）产量增加。从污水处理厂过量污泥中回收高附加值生物聚合物受到广泛关注。最近的研究表明，活性污泥可以合成藻青素颗粒多肽（ CGP ），其含量为污泥干重的 ~5.6%-13.9% ，对资源回收和污泥减量有较大贡献。磷是废水中的重要资源，其过量排放可能导致富营养化。本研究假设 CGP 对磷酸盐具有良好的吸附能力，有望用于废水中的磷酸盐回收。 CGP 中的胍基团可作为磷酸根离子识别部分，提供了与磷酸盐的结合位点。回收的磷酸盐适合用作农业肥料，且 CGP 富含氮，当用作农业肥料时，可被土壤微生物群落产生的细胞外藻青素酶（ CphE ）降解，并通过多个步骤转化为铵。本文研究了活性污泥 CGP 吸附磷酸盐的影响因素及吸附机理及其对甘蓝油菜萌发和生长的影响，分析了甘蓝型油菜根际微生物组和转录组反应。研究结果表明， CGP 吸附磷酸盐可作为有前景的农业肥料 。

图文导读

藻青素的物理表征

如图 1a-1c 所示， SEM 测定 CGP 是不规则球形组成。如图 1d 所示， CGP 对 N ₂ 的吸附 / 解吸等温线为 IV 型等温线。根据介孔滞后回路的类型，它是 H ₃ 型滞后回路。图 1e 显示 CGP 属于中性吸附剂。还分析了 CGP 中重金属的含量（图 1f ），符合中国农业污泥污染物控制标准国家标准 。

藻青素对磷酸盐的吸附机理

图 2a ， CGP 对磷酸盐的吸附动力学。结果表明， CGP 表现出比高的吸附性。图 2b 拟合动力学分析，结果表明， Elovich 模型能够较好地描述 CGP 对磷酸盐的吸附行为。动力学数据可以分为三个不同的线性区域，说明 CGP 对磷酸盐的吸附主要受颗粒内扩散和膜扩散的支配。这些结果表明， CGP 对磷酸盐的吸附主要与 CGP 和磷酸基团上表面官能团之间的弱相互作用和强化学相互作用有关。图 2c 显示了 CGP 对磷酸盐的吸附等温线。结果表明磷酸盐在 CGP 上的吸附主要是多分子层吸附， CGP 上表面活性吸附位点的分布不均匀。图 2e ，综合考虑去除率和吸附容量， 1.0 g/L 的吸附剂剂量实现了良好的磷酸盐去除和高吸附能力。在 pH 5.0 至 9.0 溶液下，图 2f ，结果表明， CGP 在酸性条件下对磷酸盐的吸附容量大于碱性条件下。这是因为在酸性条件下磷酸盐阴离子和吸附剂表面有较强的静电吸附。研究了阴离子和大分子的影响。结果表明，阴离子和大分子均未显著影响 CGP 对磷酸盐的吸附（ P > 0.05 ）。这些结果表明， CGP 对磷酸盐的吸附机理可能不仅存在静电吸附，还可能存在其他相互作用机理。 CGP 吸附了污水处理厂中厌氧、缺氧和好氧废水中磷酸盐的实验，如图 2i 所示， CGP 对实际废水中的磷仍保持良好的吸附能力，且 CGP 可能更适合吸附去除厌氧池中的磷 。

藻青素对磷酸盐的吸附性能

XPS 结果显示， CGP 中的酰胺官能团与磷酸基团之间存在电子转移。图 3e ， FTIR 光谱显示，吸附后， 1080 cm ^-1 （ P=O/P–O ） 处的吸收峰显著增强， 而 3445 cm ^-1 （ N–H ）处的峰强度降低。这表明磷酸盐与 CGP 表面的胍基部分结合。 XRD 分析显示了 CGP 的无定形结构（图 3f ）形成的小尺寸结晶颗粒意味着吸附过程可能涉及沉淀。采用 DFT 计算法在分子水平上对 CGP 单体对磷酸根离子的吸附能进行分析。 DFT 计算表明， CGP-HPO ₄ ^2- 和 CGP-H ₂ PO ₄ ^- 的结合能 E _abs 分别为 –62.192 kJ/mol （ –0.645 eV ）和 –17.2752 kJ/mol （ –0.179 eV ）。综上所述， CGP 对磷酸盐的吸附机理主要归因于 CGP 中阳离子胍基团与极性和阴离子磷酸基团的静电和定向氢键相互作用，从而形成了类似于共价键状静电相互作用的稳定盐桥 。

通过甘蓝型油菜早期发芽率和根茎长度来评价 CGP 和 CGP 吸收磷酸盐作为肥料的有效性。如图 4a 所示， CGP 组和 CGP-P 组的出苗率和幼苗茎根长均显著高于 CK 组。 CGP 和 CGP-P 能改善种子萌发和幼苗根茎的生长。如图 4c-4d 所示，幼苗土培生长试验表明， CGP 组和 CGP-P 组的茎高分别比 CK 组（ 8.3 cm ）提高了 27.5% 和 33.1% 。结果表明，与 CK 组、 NP 组和 BF 组相比， CGP 和 CGP-P 有效促进了油菜的生长。结果表明， CGP 和 CGP 吸收的土壤磷盐均具有生物可利用性，可作为农业肥料，为作物生长提供必要的养分。 CGP 是一种有价值的生物聚合物，具有生物降解性。 CGP 的生物降解是一个相对缓慢的过程，表明 CGP 具有用作缓释肥料的潜力 。

藻青素对根际稀有物种群落的影响

采用 16S rRNA 测序研究了 CGP 肥料对甘蓝油菜根际微生物组的影响。微生物组根据 OTU 相对丰度可分为丰富 >1% 和稀有 <0.1% ，其余 OTU 分为中间种。图 5a 显示了丰度和稀有群落的共现网络分析，结果表明，在整个生物群落中，稀有物种内部的相互作用比丰度物种内的相互作用更为密切。图 5b-5c 显示了门水平上丰富和稀有细菌群落的组成。采用偏最小二乘判别分析（ PLS-DA ）模型分析属水平的组间差异。图 5d 显示， CK 组和 CGP-P 组的丰富物种与 N-P 组和 CGP 组的丰度物种显著分离。如图 5e 所示，所有 5 个实验组在稀有物种方面均观察到显着差异。这些发现表明 CGPCGP 作为肥料主要影响土壤中稀有物种的群落结构，稀有物种可能在植物生长中起着至关重要的作用 。

藻青素诱导甘蓝油菜的显著转录组反应

研究 CGP 和 CGP 吸收磷酸盐作为肥料对油菜幼苗代谢性状的影响。如图 6 所示，对于氮代谢途径， CGP 和 CGP-P 组参与氨转化为谷氨酰胺的基因显着上调。这是因为 CGP 可以分解成精氨酸、天冬氨酸和铵。这些降解产物被植物直接吸收利用，缩短了谷氨酰胺的合成步骤，促进了谷氨酰胺的积累。此外，与精氨酸生物合成途径相关的基因被下调，而与精氨酸和脯氨酸代谢途径相关的基因被上调。这是因为幼苗直接吸收了从 CGP 中释放出来的精氨酸。这些促进了甘蓝油菜幼苗中谷氨酰胺的积累。谷氨酰胺是核酸和蛋白质生物合成的重要氨基酸，对促进油菜的生长和代谢有重要作用。在 CGP 和 CGP-P 组中检测到 35 个与植物激素信号转导途径相关的显著上调和 3 个下调基因（图 6d ）。生长素载体 AUX1 和生长素受体 TIR1 的表达水平升高， Aux / IAA 表达水平增加。这些基因促进生长素的信号转导，这与 BF 和 NP 组观察到的结果相似。结果表明， CGP 和 CGP-P 与化肥具有相似的刺激植物生长的作用。综上所述， CGP 不仅可以释放磷作为磷肥，而且其降解产物如精氨酸和铵态氮也可以作为氮肥。这些发现表明， CGP 和 CGP 吸收磷酸盐的应用诱导了甘蓝油菜的显着转录组反应并促进其生长 。

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