藻菌共生系統處理污水的研究進展

李亞麗，甄新，李春庚，王晚晴，2，華威，2，武雙，2 ，程艷玲，2

(1.北京聯合大學 生物化學工程學院，北京 100023；2.生物質廢棄物資源化利用北京市重點實驗室，北京 100023)

水作為一種有限的自然資源，是全球生態系統的重要組成部分，也是人類活動的重要組成部分。隨著人們生活水平的不斷提高，水污染所造成的氮、磷、重金屬、抗生素等環境污染物將對生態環境造成嚴重影響，也會危及人類的健康和生存[1]。因此，尋找一種高性能的污水處理技術尤為重要。

傳統的污水處理工藝如物化法和生物法存在運行成本高、去除效率低、占地面積大、會產生二次污染等缺點[2]。而微藻作為一種新型的污水處理技術，在污水處理方面具有顯著優勢，具有光和效率高、環境適應能力強、對氮磷的耐受力強、產生物量高、不會導致二次污染等優點，并且回收的生物質也可以應用于可再生能源(生物柴油、生物乙醇、生物氫、沼氣等)、食品、醫藥、化妝品、飼料、廢料等領域，因此在污水處理領域已受到廣泛關注[3]。

但是在實際應用中，純微藻的大規模無菌培養是非常困難和昂貴的[4]。后來，有研究者發現，一些微生物菌與微藻構成共生體后，可以提高污水凈化效率、生物量含量、脂肪含量和高價值產品的產量。并且微藻-微生物共培養已成功應用于污水處理[5]。

本文主要綜述了藻菌共生體系在廢水處理領域的應用以及藻菌生物質的潛在利用價值。最后對藻菌共生系統處理污水提出了改進建議并展望了未來發展的方向。

1 藻菌之間的關系

微藻與菌株之間的關系較為復雜，既有互利共生關系，又有相互競爭關系[6]。

1.1 互利共生關系

互利共生主要指藻菌之間的代謝產物表現出相互促進的關系。主要體現在以下兩個方面：①氣體方面。微藻通過光合作用為微生物的生長提供氧氣，而微生物則通過呼吸代謝為微藻進行光合作用提供二氧化碳。②物質代謝方面。微藻通過光合作用吸收污水中的氮磷等營養物質供自身使用，并釋放胞外聚合物和其他物質。而微生物則通過呼吸作用消耗這些物質，并分解死藻細胞[7]。同時，微生物的分解產物可以被藻類吸收利用[8]。③微量元素方面。有研究證明，微藻雖能通過光合作用以自養方式生長，但是超過一半的藻類的生長需要維生素B12(鈷胺素)，也有少部分藻類生長需要維生素B1(硫胺素)，而細菌可以提供藻類所需的微量元素[9-10]。

1.2 相互競爭關系

藻菌之間的相互競爭主要表現在以下四個方面：①對營養物質的競爭。微藻與微生物都會吸收污水水中的氮磷等作為自身的營養物質。當一些污水中氮磷等營養物質較低，無法滿足藻與微生物共同生長的需求時，彼此之間就會表現出明顯的競爭關系[11]。②對O2的競爭。當在無光環境中時，微藻進行呼吸作用也會吸收外界環境中的O2，因此微生物就會與藻類競爭O2[12]。③藻毒素/細菌毒素的抑制。微藻會產生藻毒素，釋放后會抑制微生物生長甚至毒害微生物；細菌也會釋放細菌毒素，以此抑制藻類的生長，甚至會裂解藻細胞[10]。④pH的影響。李小霞等[13]通過研究發現，當藻類進行光合作用時，會導致pH升高，從而對微生物產生毒害。

2 藻菌共生系統污水處理模式

利用藻菌共生體系處理污水的理念最早是由William Oswald提出的。隨后許多研究者們開始關注藻菌共生培養，以共生體形式存在的培養物(微藻-細菌、微藻-真菌、多菌多藻)因其具有較高的營養去除能力和生物量增加而被廣泛報道，并用于污水處理(表1)。

表1 利用藻菌共生處理污水以及生物量的積累Table 1 Wastewater treatment and biomass accumulation by symbiosis of algae and bacteria

2.1 微藻-細菌共生體系

目前，藻菌共生體系中，微藻-細菌共生體系研究最多，該體系一般需要借助固定化技術，例如借助于吸附劑、包埋劑、交聯劑等[21]。牛曼[22]采用海藻酸鹽包埋法對蛋白核小球藻和好氧活性污泥進行混合固定化，并研究了固定化藻菌系統對高濃度有機污水的降解效果，結果發現，當固定化小球的粒徑為4 mm時，對污水中的COD、氨氮和磷酸鹽的去除效果最好，去除率分別為74.8%，83.4%，71.7%。

許多研究表明，微藻-細菌共生處理污水時，細菌不僅能加快微藻的絮凝，而且能加快對污水中污染物的去除。劉茜等[23]分別研究了單藻與細菌-微藻共生培養對污水中COD、總氮和總磷去除效果以及對生物量的影響。結果表明，藻菌共生處理污水時，不僅能提高對污水中的COD、總氮和總磷的去除，而且能提高生物量的產率。

2.2 微藻-真菌共生體系

有研究者發現，一些真菌像絲狀真菌與微藻構成共生體系時，一方面可以起到固定化載體的作用，使得真菌吸附于藻細胞外部，保護藻細胞的同時并為其提供營養物質[24]。另一方面，真菌有助于微藻絮凝，并能顯著提高生物質產量以及脂質的積累[25]。Muradov等[26]研究發現，真菌與微藻構成的共生體系對廢水中氮磷的去除效果明顯由于單菌或單藻。Walls等[18]利用柵藻與野生真菌構成的藻菌體系處理城市污水，結果發現，可以去除100%的總氮和96%的磷酸鹽，并積累了2.74 g/L的生物量。

2.3 多藻-多菌共生體系

傳統的活性污泥法雖然能有效地去除污水中的污染物，但是污泥沉積量大，很難處理。后來，一些研究者通過不斷地探索，在活性污泥的基礎上，發展出了固定化多藻多菌系統。此系統具有明顯的產污泥量少、對污染物耐受性強、固液分離速度快等優點[27]。陳志華[19]用螺旋藻和活性污泥構成的多藻多菌系統處理生活污水，發現可以去除88%的COD、88%總氮和77%的總磷。 Amin 等[21]研究了普通小球藻與活性污泥構成的多藻多菌系統對市鎮污水中COD的去除效果以及生物量積累的影響，結果發現，對COD的去除效果比較好，去除率為64%，并積累了10.42 g/L的生物量。

3 菌藻共生系統在污水處理中的應用

3.1 去除氮

藻菌共生體系中，氮的去除主要涉及以下五個方面：①同化作用。同化作用主要去除無機氮(硝酸鹽、亞硝酸鹽、氨氮)，即藻菌體系將污水中的硝酸鹽、亞硝酸鹽先還原為氨氮，然后繼續合成氨基酸，氨氮也可以直接被同化[28]。②氨揮發。研究發現，當pH>8 時，氨將以氨氣的形式從水中揮發[29]。③氨化或礦化作用[27]。即污水中的有機氮(氨基酸、蛋白質等)被微生物分解為氨，然后氨再以氨氣的形式從水中揮發。④硝化及反硝化作用去除[30]。

3.2 去除磷

3.3 去除重金屬

污水中適量的重金屬能夠促進藻類的生長，但是過量的重金屬不但會抑制藻類生長甚至會對藻類產生毒害作用。藻菌共生系統對污水中的重金屬主要通過生物吸附作用去除[33]。這些生物物質細胞壁含有醇、醛、酮、羧基、醚等官能團，故增強了對金屬去除的吸附活性。有研究證明，活的和非活的藻類生物量都可用于重金屬的生物吸附[33]，由于死藻類生物量的生長不需要任何生長介質，因此這是使用非活的藻類生物量比活的的主要優勢。影響吸附過程中的重要因素有生物量、pH值、溫度、吸附劑用量、金屬濃度和接觸時間等[34]。

3.4 去除其他難降解有機物

一些工業污水如食品加工污水、印染污水、制藥污水、造紙污水等里面還有大量的難降解有機物(氰化物、偶氮染料、抗生素、有機氯等)，這些難降解有機物具有毒性，且污水中污染物濃度高，成分復雜，不經處理直接排放，會對微生物的生長產生危害。有研究報道，微藻對難降解有機物有很好的耐受力[35]，且構建的藻菌共生體系對這些難降解有機物能有效的去除[11]。Yin等[36]采用藻菌共生系統處理含有 500 μg/L 的磺胺類抗生素的城市污水，處理120 h后發現，藻菌共生系統能對此類抗生素完全去除。

4 菌藻生物質資源化利用

污水處理系統產生和收獲的生物質既可以通過熱化學和生物轉化為生物燃料(生物柴油、生物乙醇、生物氫、沼氣等)，也可以生產高附加值產品(食品、藥物、化妝品、飼料等)[37]。

4.1 生物燃料

化石燃料資源的枯竭及其排放引發了尋找替代能源和可再生能源的積極研究，而生物燃料是可以替代化石燃料的可持續能源。由于藻類具有重要的生物分子合成碳水化合物、蛋白質、脂質和其他生物分子的能力，因此藻類被認為是生物燃料生產的一個可行的可再生宿主系統[38]。并且許多研究也證明一些藻菌構成共生體后，能夠提高生物燃料如生物柴油、生物乙醇、生物氫、沼氣等的產率。

4.1.1 生物柴油 有研究證明，當產油藻與菌構成共生體后，可以增加生物質的產量，同時也能提高油脂的產量。例如Muradov 等將產油微藻與真菌構成共生體后處理養豬廢水，研究表明，共培養體系不僅對污染物能較好的去除，而且增加了總生物質及脂質產量；并對菌藻生物質進行水熱液化處理后，獲得了生物柴油，表明真菌-微藻生物質是一種有潛力的生物燃料生產原料[39]。

4.1.2 生物乙醇 生物乙醇是化石燃料的替代能源。在過去的幾十年里，生物乙醇是由農作物發酵產生的，主要是富含碳水化合物或糖的食物來源，如玉米、小麥種子、甜高粱、甘蔗、大豆等[40]。有研究證明，藻類生物量富含碳水化合物(占生物量干重的12%～50%)，相對于其他原料生長更快，對栽培條件的變化更具有靈活性，因此具有巨大的生物乙醇生產潛力[41]。另外，Polikovsky等[42]研究發現與無菌培養相比，藻與工程菌共生培養后，可以提高生物乙醇的產量。

4.1.3 生物氫 生物氫(H2)是一種可再生、無污染、高效的能源。傳統的生物制氫是通過煤氣化或水電解等方法產生的，這些制氫的方法因此投資成本高，產量低，是不經濟的[43]。但是利用藻類生物量生產氫氣的技術由于其可以彌補傳統制氫方法的缺點已受到關注。Liu等[44]利用大型藻海帶與細菌混合后厭氧發酵制氫。結果表明，在初始pH值為 6.0、底物濃度為2%的條件下，熱處理后的生物質最大產氫量為(83.45±6.96)mL/g，產氫量約為28.4%。

4.1.4 沼氣 沼氣是指生物質厭氧消化產生的氣體混合物。有研究證明，含脂量較高的藻類生物量具有較大的產沼氣潛力，并且藻與細菌構成共生體后，既可以改善水質，也可以產生沼氣。例如Xu等[45]從小球藻中分離出內生細菌，并與寄主微藻共培養，結果發現，分離出的菌株能促進小球藻生長，同時能提高養分去除效率并產生沼氣。

4.2 高附加值產物

藻細胞中富含豐富的蛋白質、色素、氨基酸、礦物元素等。采收的生物質經加工后還可以生產高附加值產物(表2)。

表2 生物質在肥料、食品、醫藥、飼料、化妝品領域的潛在用途Table 2 Potential uses of biomass in fertilizer，food，medicine，feed and cosmetics

5 總結與展望

藻菌共生系統作為一種新型的污水處理技術，在污水處理及資源化利用領域具有極大的發展前景。但是仍有許多方面需要進一步改進：

(1)污水類型不同，所含污染物的濃度及成分不同，因此需要進一步篩選能夠適應高濃度污水或一些極端條件(極端溫度、pH等)的藻類。

(2)雖然藻菌共生系統在污水處理方面有顯著優勢，但是藻菌之間的相互關系、代謝機制以及各自所發揮的作用不明確，因此需要進一步探究藻菌共生去除污染物的機理。

(3)由于微藻體積小、質量輕，污水處理后，對微藻的回收存在困難，因此需要進一步研究性能好、價格低廉的固定化載體以及回收成本低、回收效率高、環境友好型的微藻回收技術(自動絮凝、生物絮凝等)。

(4)菌藻生物質進行加工生產生物燃料或高附加值產品方面，工藝復雜，技術不夠成熟，因此需要進一步開發儀器設備，并優化工作參數。