藻菌共生系统强化废水处理及相互作用机制的研究

人口增长和人类持续的生产活动造成氮、磷等污染物进入地表水并引起水体污染，严重威胁着全球水资源循环利用的可持续性和生态系统的完整性。为缓解这一现状，废水生物处理技术因其能高效去除营养物质，并实现生物质资源回收及多种生物能源转换，而受到广泛关注。许多研究证实，合理利用微藻与细菌之间的协同作用机制，构建藻菌共生（microalgae-bacteria symbiosis，ABS）系统能有效的处理城市、工业和养殖业等废水。然而，关于ABS系统中微藻与活性污泥之间相互作用机制的研究报道甚少。此外，该体系中促进絮凝沉降的物质组成还有待进一步确定。基于此，本研究通过调控藻菌共生系统的接种比例，为藻菌共生系统的构建提供方法，并为深入了解微藻与活性污泥在去除废水污染物中的相互作用机制提供了理论依据。

 

1.不同系统中叶绿素-a浓度变化

本研究中模拟废水的化学需氧量（COD），氨氮（NH₄⁺-N），总氮（TN）和总磷（TP）的浓度为1014.7，124.2，142.3和20.9  mg L^-1。共构建5个系统，各系统命名及微藻和细菌的初始接种量如表1所示。叶绿素-a是微藻中的主要叶绿素，其浓度与叶绿体的活性及微藻的生物量相关，因此，它被用作衡量ABS系统中微藻生长的指标。如图1所示，在培养结束时，所有系统的微藻生物量都有所增加。S₁系统的叶绿素-a浓度最低，为1.5mg L^-1，只占S₃、S₄和S₅系统的28.2%、16.0%和22.2%。所有ABS系统中的叶绿素-a浓度均高于S₁系统。除了共生系统中的气体交换机制（微藻提供O₂，细菌提供CO₂）外，细菌还提供无机营养物质（S、N、P），分泌铁载体，并合成有机辅助因子以刺激微藻生长。研究结果发现，共生系统中微藻生物量并没有随着活性污泥接种量的增加而无限制地增加。这是由于过量的活性污泥可能导致透光率下降，不利于微藻的光合作用，从而影响微藻生物量的积累。

表1  微藻和细菌初始接种量及系统命名

 

 

图1 叶绿素-a浓度的变化（每个系统与S1系统之间的显著差异被标记为*：p < 0.05）

2. 微藻与活性污泥的相互作用能

E-DLVO（Extended Derjaguin-Landau-Verwey-Overbeek）模型下活性污泥与微藻总相互作用势能（U_E-DLVO）主要包含范德华力作用（Van der Waals forces，U_vdw），静电作用（Electrostatic double layer interactions，U_EL）和路易斯酸碱作用（Lewis acid-base polar，U_AB）。如图2所示，无论活性污泥与微藻之间的距离如何，U_vdw和U_AB的数值始终为负，在ABS系统中表现出吸引性相互作用。由于静电斥力的存在，U_E-DLVO的总相互作用能曲线上最高点存在斥力势垒。在本研究中，当藻细胞与活性污泥颗粒的分离距离为4.2 nm时，能量势垒为561.7 KT。

 

图2 微藻细胞与活性污泥之间相互作用势能随分离距离变化曲线

营养物质去除

图3展示了不同系统中COD、NH₄⁺-N、TN和TP的去除效率。如图3a所示，从S₁到S₅，五个系统的COD去除率分别为46.2%、52.4%、74.3%、87.4%和90.3%。培养5天后，不同系统的COD浓度差别较小，约为53.3 mg L^-1。培养结束时，以任意比例构建的ABS系统对NH₄⁺-N的去除率均高于单培养系统（S1和S2）。当微藻与活性污泥接种比例为1:10时，NH₄⁺-N几乎被完全去除（图3b），而S₁和S₂系统对NH₄⁺-N的去除率分别仅为50.6%和45.1%。废水中的TN主要以NH₄⁺-N的形式存在，S₄系统的TN去除率（65.3%）高于S₃和S₅系统，这说明微藻和活性污泥的接种比例为1:5时对TN的去除效果更好（图3c）。培养结束时，S₂系统的TP浓度最高，为16.67 mg L^-1，而S₁和S₅系统的去除效率相似，约42.6%（图3d）。

 

图3 不同体系对（a）COD、（b）NH₄⁺-N、（c）TN和（d）TP的去除效率（不同字母表示系统间差异显著，p < 0.05）

3.微生物群落分析

如图4所示，门水平上的优势细菌为Proteobacteria、Cyanobacteria、Bacteroidota、Actinobacteriota和Patescibacteria，科水平上的优势细菌则为Xanthomonadaceae、norank_o_Chloroplast、Comamonadaceae和Chitinophagaceae。在属水平上，所有系统中均检测出大量参与C、N和P循环的功能细菌属。如Raineyella和Ottowia能参与废水中有机物的降解；Dokdonella和Alicycliphilus主要发挥去除废水中的氨氮的作用；Thermomonas和Ferruginibacter则可以通过反硝化作用来实现氮的去除。除了微藻的直接吸收利用外，Simplicispira的存在也有助于废水中P的去除。

 

图4 细菌群落结构组成（a）群落组成冲积图，（b）科水平和（c）属水平上优势菌的相对丰度

EPS分析通过Matlab中的3组分模型进行验证，组分的荧光和峰位如图5所示。经分析，组分3是EPS中较为常见的腐殖质类物质，在Ex/Em=270/435、270/520和360/520 nm处有明显的峰值。与组分3不同，组分1和组分2在扫描范围内只有一个激发和发射荧光峰。组分1（Ex/Em = 280/350 nm）为氨基酸色氨酸类蛋白质。而组分2（Ex/Em = 275/280 nm）具有类似酪氨酸的蛋白质荧光峰值。色氨酸类蛋白和酪氨酸类蛋白同属于芳香族蛋白。芳香族蛋白在单培养系统中能诱导微藻的自絮凝，而在ABS系统中，则表现为微藻和活性污泥形成稳定的絮凝物。此外，活性污泥细菌分泌的N-酰基高丝氨酸内酯（N-acyl homoserine lactones，AHLs）也可以诱导微藻分泌更多的芳香族蛋白质，并以此加速絮凝过程。

 

图5 EPS中的三个荧光组分

4.小结

在微藻-细菌接种比为1:5的条件下，ABS系统在第5天的COD、NH₄⁺-N、TN及TP去除效率分别为95.2%、88.6%、65.1%和35.7%。功能菌属丰度的增加是提高除污效果的关键。芳香族蛋白是促进微藻-细菌形成稳定絮体的生物活性物质。本研究的结果可以为ABS系统在污水处理中的开发利用提供必要的知识基础和理论指导。

 

主要参考文献：Qv Mingxiang, Dai Dian, Liu Dongyang, Wu Qirui, Tang Chunming, Li Shuangxi, Zhu Liandong. Towards advanced nutrient removal by microalgae-bacteria symbiosis system for wastewater treatment. Bioresource Technology, 2023. https://doi.org/10.1016/j.biortech.2022.128574

作者简介

通讯作者：朱联东，教授，博士生导师，国家级青年人才、湖北省杰青、湖北省高层次人才等人才计划获得者。具有芬兰博士学位，回国前担任芬兰瓦萨能源所与瓦萨大学能源技术系研究科学家、助理教授等职，于2018年全职引进武汉大学资源与环境科学学院，任职教授。作为独立项目负责人（PI），主要从事废水培养微藻及其生物质能研究，主持欧盟Botnia & Atlantica专项、芬兰文化基金、芬兰富腾基金、芬兰通力基金、国家重点研发计划课题及子课题、国家自然科学基金面上、湖北省杰出青年基金等项目十余项。近年来，在Water Res.、Appl. Energy等刊物上以第一（通讯）作者发表SCI论文60余篇（中科院1区36篇，IF大于10的论文34篇），出版英文专著1部，主编教材1部，参编中英文专著5部。SCI论文总引用次数4600余次、H指数34（Google Scholar统计），4篇第一作者及3篇通讯作者论文入选ESI高被引论文，1篇入选ESI热点论文，1篇入选封面论文。研究成果曾多次被芬兰Pohjalainen、Ilkka等报纸头版专栏介绍，连续入选全球前10万顶尖科学家榜单及全球前2%顶尖科学家榜单。2016年以来先后受邀担任IEEE Access（IF 3.7）、IET Renew. Power Gener.（IF 3.9）、Energy Environ. (IF 2.9) 、Front. Energy Res. (IF 2.7)等多本SCI期刊的Associate Editor。

第一作者：屈明祥，男，武汉大学资源与环境科学学院环境工程专业，博士研究生在读，主要研究方向为新兴污染物的生态毒理，电化学人工湿地强化脱氮除磷技术和藻菌共培养废水处理技术。