藻菌共生體系及其水質凈化功能研究

婁云剴

（湖南農業大學動物科學技術學院，湖南 長沙 410125）

1 藻菌共生體系

1.1 發展歷程

藻菌共生體系是指自然界中特定的藻類和菌類之間，根據自身的協調作用而達到凈化水體的效果的一種生物處理技術體系。

1962 年，美國堪薩斯大學的麥金尼教授，在構筑完全混合式活性污泥數學模型時，就設想建立一種處理污水的絮凝藻菌共生系統[1]。通過在一些特定構筑物中，采用人工控制的方式，培育相應的部分藻類來處理污水，藻菌共生體系由此走向人為控制的發展方向。1967 年，Oswald William 教授等在其文章中首次提出了菌藻共生系統這一概念[2]，并構筑了最初的穩定塘系統。這一概念的提出及穩定塘系統的構筑，使得關于藻菌共生體系的研究進一步專業化、系統化、規范化。20 世紀80 年代，國內外針對藻菌共生體系處理污水的大量試驗性研究取得了突破性的成果。這些研究涵蓋了進水水質及其種類、微藻處理反應器的結構、藻種的選擇以及藻菌去除有機物、重金屬與氮磷營養物質機理等許多方面[3]。并最終在1983 年，由 Buhr 等[4]建立了更加成熟的HRAP 動力學模型。這些研究為近現代藻菌共生體系處理污水的應用，提供了強有力的技術基礎與理論支持。學術界自此掀起了一場關于利用微藻和細菌協同作用的研究熱潮[5]。

1.2 模式及原理

水體中的有機污染物，經藻菌共生體系中好氧型細菌或真菌氧化分解產生二氧化碳（CO2）和銨離子（NH4+）、磷酸根離子（PO43-）等營養鹽，藻類以光能為能源，通過吸收這些營養鹽來進行光合作用，消耗了污水中存在的大量氮（N）、磷（P）等元素，并將無機物合成用以自身生長發育所需的細胞物質[6]。與此同時，再次釋放氧氣（O2）供好氧型細菌或真菌繼續氧化有機物，實現系統循環共生。

隨著對藻菌共生體系原理的掌握及研究深入，研究人員對其特異性的組合方式不斷改良、創新，逐漸出現了高效藻類塘技術、活性藻技術、流化床光生物反應器、水力藻類床、生物轉盤等新型的藻菌共生體系新模式（表1）。這些模式，也為現階段應對不同水質污染問題，提供了多樣且充足的選擇。

表1 菌藻共生體系在污水中主要形式及優缺點

1.3 常用藻菌原料

現階段，藻菌共生技術中常用的微藻主要有小球藻、月牙藻、柵藻、衣藻、螺旋藻、銅綠微囊藻等（表2）[7-12]。

表2 常用于污水處理的微藻及其去除率

常用的菌類有芽孢桿菌、硝化細菌、光合細菌、黑曲霉菌、煙曲霉菌等（表3）[13-18]。

表3 常用于污水處理的菌類及其去除率

這些微藻和菌類，因其種類的特異性，其個體本身及不同個體組合后，針對不同水域環境問題表現出特異性功能。

2 水質凈化功能

藻菌共生體系最基礎、最關鍵的功能即其水質凈化功能，其效能往往代表著該體系在實際應用中絕大部分的功能效果。

2.1 對氮、磷營養鹽的調控作用

N、P 是生命體生長中所必需的，也是水產養殖生態系統中物質循環的重要元素，其含量往往是養殖水體污染的重要指標[19]。隨著當下社會高密度養殖模式的推廣，大量養殖尾水隨意排放進入自然水體，水域生態平衡被打破，導致自然水體中NH4+-N、NO2--N、PO43--P 等營養鹽含量急劇上升[20-21]。由此引發的污染問題日趨嚴峻。

同時，當水中P 含量增加時，藻類生長繁殖速度隨之加快。大量藻類漂浮在養殖水表面，引起赤潮或水華[22]，繼而導致光合作用效率下降，降低水中溶解氧，導致動植物缺氧死亡[23]。藻類甚至會產生藻毒素，對魚蝦的生長具有毒性作用[24]。

藻菌體系與污水中N、P 之間的關系，可以簡單概括為：微藻主要以無機N、P 為生長元素，合成自身的有機N、P，從而降低污水中的N、P 含量[25]。如若環境中無機N、P 缺乏，細菌在微藻死亡后可分解微藻的有機質，繼續供其他微藻生長所需，從而提高元素的利用效率[26]。此外，楊翔梅[27]的研究結果表明，硝化細菌、復合細菌、COD 降解菌三種菌劑單獨添加時，廢水中NH4+-N 的去除率分別為27.3%，16.0%，13.3%。對比可知，其中硝化細菌去除NH4+-N 的能力最強。周鳴等[28]的研究結果表明，固化硝化細菌小球和固化菌藻小球均可顯著去除污水中的NH4+-N，但后者的去除效果更佳。當實驗條件為 28 ℃、pH 值為 8、NH4+-N 起始質量濃度為50 mg/L、NH4+-N 與固化菌藻小球用量比為 1∶40 時，24 h 內NH4+-N 去除率為96.51%。這些數據足以驗證Oswald 等[29]提出的培養藻類進行深度生物處理污水的方法，即通過光合作用固定CO2，同時利用水體中的N、P 等富營養元素，實現微藻生長及廢水處理的雙重目的[30]。

同時，相關研究[31]發現，微藻-硝化細菌體系對NH4+-N 的去除率為51.2%，大于單獨微藻對NH4+-N的去除率17.5%與單獨硝化細菌對NH4+-N 的去除率27.3%之和。分析可知，硝化細菌與微藻間具有協同作用，且藻菌共生體系能夠更大化地提高水質凈化能力。

綜上所述，藻菌共生體系通過微藻和細菌的聯合作用，可以消耗或補充水體中含量失衡的N 和P，從而實現調控水中營養物質含量，改善水體水質的作用。

2.2 對BOD 和COD 的調控作用

在水質研究中，BOD 和COD 是兩個重要的而且能較快測定的有機物污染參數。

鄭耀通[32]構筑了由小球藻、乳酸菌、光合細菌、紅酵母、產朊假絲酵母組成的藻菌共生體系，在不同條件下對經厭氧酸化預處理的養豬污水中氨氮含量指標（NH3-N）、有機質進行去除。其研究發現，實驗組成的藻菌共生體系可使酸化豬場污水中的BOD 在48 h 內的去除率達 96.8%。同時發現，藻菌共生體系和細菌純培養體系對沼液中COD的去除效果，明顯優于小球藻純培養體系。分析可知，藻菌共生培養體系和細菌純培養體系處理效果明顯，是因為沼液中COD 的去除作用主要是由細菌分解有機物產生的。

當然，藻菌共生體系中的微藻在該過程中發揮的作用同樣不可或缺，據Wolfaardt 等[33]的研究估算結果，在微藻的協同作用下，細菌降解污水中COD的效率可提高37%以上。這就證明了微藻對系統中細菌分解有機物起到了積極的促進作用。

基于此，Mujtaba 等[34]研究了小球藻與假單胞菌putida 構建的藻菌體系，發現其對COD 的調節效果明顯優于小球藻純培養體系，可達86%。Maza-Márquez 等[35]也對橄欖油生產過程中的污水進行處理，該實驗將斜生柵藻、小球藻、藍藻、魚腥藻等接種到PBR 中，與污水中的菌類形成菌藻聯合體。實驗結果表明，BOD、COD 的去除率分別可以達到（97.8 ±12.7）%和（80.7±9.7）%。

綜上所述，污水中BOD 去除主要由細菌分解有機物完成，藻菌共生體系內的微藻在體系中起一定的促進作用。兩者相結合的藻菌共生系統，能夠有效地降低污水中的BOD、COD 含量，凈化水質，維持相對健康的水體營養水平。

2.3 對重金屬的吸附作用

目前所應用的菌藻共生體系對重金屬的去除方式主要以生物吸附為主，即通過各自細胞表面的功能團（羧基、羥基等）與金屬結合[36]，起到吸附降解重金屬的作用。因此，通過篩選與重金屬有高結合能力的細菌與微藻能夠提高菌藻共生系統去除重金屬的整體效果。

Batool 等[37]曾采用模擬的重金屬溶液來研究小球藻與深海微小桿菌混合培養構建的藻菌共生體系對重金屬的去除效果，研究發現該系統對污水中銅（Cu）、鉻（Cr）和鎳（Ni）的最高去除率分別達到78.7%，56.4%和80%。此外，Subashchandrabose 等[38]認為，在連續進水條件下，藻菌共生體系聯合處理含 Cu 污水的最高去除效率可達80%。這些數據，都足以證明藻菌共生體系針對被重金屬污染的水體，可以起到較為充分的吸附降解作用。

除此以外，何柳等[39]針對核廢料金屬鈾在水體中的去除作用也做了相關的實驗研究。其構筑了合果芋-內生菌共生體系，采用ICP-MS 測定方法，在鈾初始質量濃度為0.5 mg/L 時，最高鈾富集率達98.34%，實驗組鈾質量濃度降至16.615 μg/L；在1，2 mg/L 的初始質量濃度條件下，廢水中鈾質量濃度分別降至 17.903 和 26.067 μg/L，3 組廢水濃度均達到排放標準。據此可知，特異性的藻菌共生體系還可用于修復較低濃度的鈾污染廢水。

另外，司建偉[40]在研究中發現，藻類物質在進行光合作用時既產生了氧氣，又能超負荷地吸收重金屬離子，提高了水的pH 值，可以起到一定的消毒作用，降解農藥、烷烴、酚類等多種有機物質。并且它還能夠結合外源物質，促進N、P 等元素在水中的循環吸收，增加藻類物質的生物量，可以創造更多的經濟價值。

綜上所述，藻菌共生體系對于降低污染廢水中過高的重金屬含量、協調水質、凈化水體，有其獨特的積極意義。

3 總結與展望

3.1 研究困境與應用難題

由于上述研究大多停留在實驗室階段，考慮到現實環境下變量因素的多樣，數據呈現具有一定的局限。參照實際應用場景，熊云武等[41]構筑了生態模型，研究了藻菌共生體系對魚類養殖池塘水、羅氏沼蝦養殖池塘水的實際應用效果，發現在當前階段，藻菌共生體系投入產出比不高，且構筑系統的多方面技術存在空缺。

現行較為先進的藻菌共生小球應用載體的包埋工藝，在實踐中也出現了固定化藻菌膠球經長時間浸泡容易開裂等問題，繼而造成體系破壞；此外，新型的固定化微生物反應器開發研究陷入困境，傳統的固定化載體會限制光能的獲得和物質的傳遞，不能較好適應新環境下藻菌共生體系各方面功能的實際應用等。這些都是藻菌共生體系產業化、規模化、實用化過程中需要解決的應用難題。

3.2 總結

現階段，中國的水環境污染問題日益嚴峻。利用藻菌共生體系進行水質凈化，這種新方式實現了由較為單一的傳統物理化學凈化方法向多元化的現代模式發展的巨大轉變。其不僅可以改善環境、修復生態，還可以生產系列附屬產品，實現生態、經濟與社會效益，其在新型污水深度處理的應用上展現出不可小覷的巨大優勢。

大量的研究表明，藻菌共生體系不僅能明顯去除 N、P、有機物，降低 BOD、COD，降解污水中的重金屬等，甚至還可以控制和凈化大腸桿菌、誘變活性物質和病毒等。這也為藻菌共生體系的產業應用進一步有針對性的發展做好了先期準備。當然，本次研究發現了藻菌共生體系在發展初期具體實踐及產業應用的諸多不足之處，也從中發現了大量的新思路新方向，這也為接下來有針對性的改良與發展，找到了突破口和新的起點。

3.3 尋求突破與新的方向

藻菌共生體系不僅符合生態學的原理，生態環保，而且可以實現水的資源化，具有相當高的生態和經濟意義[42]。針對藻菌共生體系中，不同微藻和菌種組合以及不同的藻菌比例展現出的特異性功能，應當在進一步地深入研究與試驗后，在實現高效微生物的優選及活性保存技術的研究突破的同時，尋求不同應用場景下，對普遍性規律選擇的把握。

在處理水產養殖產生的富營養化養殖廢水等技術產業化應用方面遇到了一系列問題。針對藻菌共生小球包埋工藝滯后，應當進行傳統包埋工藝的技術改進，例如參考介孔硅納米包埋對枯草芽孢桿菌的處理等。針對共生小球固定載體的選擇難題，應當加快廉價高效固定化載體的研制和開發。針對傳統的固定化微生物反應器，應當開展固定效率更高、共生小球回收更便捷的新型反應器的開發研究。針對固定化載體會限制光能的獲得和物質的傳遞，應當展開固定化材料傳質阻力問題的研究等。