藻菌共生系統處理畜禽沼液的機制及影響因素研究進展

陳 彪，朱 勇，王鍇瑜，肖艷春，黃 婧，張劍宇，張旭釧，陳曉晨※

（1.福州大學環境與安全工程學院福建省農村廢棄物綠色循環技術工程研究中心，福州 350108；2.福建省農業科學院農業工程技術研究所，福州 350003；3.江蘇隆昌化工有限公司，如皋 226532；4.茂友木材（江蘇）有限公司，如皋 226532）

0 引言

隨著中國畜禽養殖業和沼氣工程規模的不斷擴大，畜禽沼液的年產量可高達10 億t[1]。沼液中不僅含有大量的氮、磷、鉀等營養物質，還含有多種有害污染物，如重金屬（Cu、Zn、Cd、Cr）和抗生素等[2-3]，沼液的直接排放極易造成水體富營養化、土壤酸化和污染物累積等生態環境問題。因此，沼液已成為污水組成中不可忽視的一部分，對其進行有效處理與資源化利用至關重要。

當前通常運用沼液還田、生化處理等方法以實現沼液的達標排放。沼液還田是目前應用最廣、最經濟的沼液處理方式，但隨著沼液量的不斷增加，沼液量與消納土地的矛盾日益尖銳[4]，且長期的沼液還田還具有誘發土壤重金屬、抗生素污染累積的風險[5]。由于沼液成分復雜、C/N 低、可生化性較差，導致傳統的污水生化處理法在處理沼液時存在著諸多缺陷，如采用單一的活性污泥法處理沼液，往往存在著脫氮除磷效果不佳、曝氣耗能大等不足[6]，同時處理過程中會產生大量CO2和甲烷等溫室氣體，其中甲烷比CO2的溫室效應潛力高出約30 倍，因而活性污泥法不僅未實現沼液的資源化利用，而且會加劇溫室效應[7]。因此，針對傳統沼液處理過程中所造成能源損耗和碳排放等問題，尋求一種具有經濟-環境-能源效應的沼液資源化處理新方法具有重要意義，其不僅可助力于實現中國的“雙碳”目標——2030 年達到碳排放峰值與2060 年實現碳中和，而且可緩解當前面臨的氣候變化和能源危機。

近年來，利用微藻和細菌的共生作用實現沼液的凈化處理與資源化利用引起了廣泛關注。藻菌共生系統處理法作為一種新興的沼液資源化方法，較之單一的微藻系統處理法（微藻養殖法），其通過藻菌之間的共生機制構建的藻菌共生系統，不僅極大地提高了對污染物的吸附和降解能力[8]，而且在該過程中可同步實現污染物的去除、CO2的利用以及微藻生物質的產生[9]，具有低成本、高效率、環境友好等優勢。此外，末端產品（微藻生物質）中的脂質和聚羥基丁酸酯含量豐富，具有分別替代化石燃料和塑料的潛質[10]。

然而，目前關于藻菌共生系統的處理對象主要集中在低濃度生活污水[11]，較少應用在沼液的資源化處理中，基于藻菌共生系統的沼液處理方法應用潛力巨大。因此，本文從藻菌共生系統的共生機制、類型、污染物去除以及影響因素方面進行較為全面的綜述，并且針對該系統應用于沼液中的不足進行討論和展望，以期為在沼液環境中藻菌共生系統的調控與規模化利用提供理論指導。

1 藻菌的共生機制

藻菌共生系統自1957 年由OSlWALD 等[12]開發以來，得到了眾多學者的持續關注與探索，近十年來相關的研究更是呈指數增長[8]。微藻與細菌復雜的共生作用可概括為營養交換、信號傳導和基因轉移[13]，典型的藻菌共生系統（小球藻與地衣芽孢桿菌）的共生機制如圖1 所示。

圖1 小球藻與地衣芽孢桿菌的共生機制[14]Fig.1 Mechanisms of symbiosis between Chlorella and Bacillus licheniformis

1.1 營養交換

營養交換是藻菌之間最常見的一種相互作用類型。典型案例為珊瑚中存在的微藻和細菌的共生機制，微藻給珊瑚和細菌提供O2，細菌通過分解有機物給共生系統提供碳源，沼液環境中的藻菌共生系統也類似。首先，微藻作為光合自養生物，利用CO2與沼液中的無機營養元素生產有機物，隨后以溶解有機物（dissolved organic matter，DOM）、氨基酸和O2的形式釋放，進而為好氧細菌提供基礎營養條件。值得注意的是，由微藻（尤其是硅藻類）分泌的胞外聚合物（extracellular polymeric substances，EPS）也主導著藻菌共生系統的形成[15]，其一般由多糖、蛋白質、核酸等組成，是微藻和細菌的一種防御機制，尤其是給暴露在沼液污染物中的細菌提供了庇護所[16]，而且在特殊情況下也能直接給細菌提供碳源[17]。同時，異養細菌分解礦化并同化吸收沼液和藻類中大部分的DOM，這種礦化過程通常能促進微藻與細菌之間代謝物的交換。微藻再利用異養細菌代謝所產生的CO2、有機營養物質和酶等，以支持自身的進一步生長，進而形成穩定的營養交換循環。此外，藻菌之間還存在一些重要營養素的交換（包括氮、磷和多糖等），如一些生長促進細菌能增強杜氏藻（Dunaliella sp.）對氮的同化[18]。這些營養交換關系相互配合，共同維系著藻菌的生長與共生系統的穩定性，也是實現共生系統中微生態平衡的基礎。

1.2 信號傳導

信號傳導是藻菌之間的另一種相互作用形式。二者通過相互作用的化學物質（如酰基高絲氨酸內酯、自誘導劑和自誘導肽等）以激活或抑制基因表達和生理活動，從而改變它們的行為和生長狀態[13]。這種細胞間的通信機制即群體感應（quorum sensing，QS）[19]，該機制中的QS 信號分子是藻菌共生系統中重要的信使，主要包括N-酰基-l-高絲氨酸內酯（N-Acyl-1-homoserine lactones，AHLs）、環鳥苷二磷酸（cyclic diguanosine monophosphate，c-di-GMP）、自誘導肽、吲哚乙酸等[20]。這些信號分子可直接或間接地參與藻菌的生長調控，進而提高微藻和細菌對不利環境的生存適應能力（尤其是細菌）。例如當細菌在含有重金屬、抗生素等污染物的沼液中生長時，往往會增強QS 機制的表達以增強其對污染物的抗性[21]。其中以AHLs 信號分子可直接介導微藻和細菌之間的交流，同時也能調節微藻的生長、繁殖以及基因表達[20]。而c-di-GMP 主要調節細菌行為和反映系統中QS 的表達情況，當系統中c-di-GMP 的濃度達到3.85 μg/g 時，即共生系統中具有較強的QS 信號接收能力[14]。例如，當地衣芽孢桿菌受到來自胞外有機物的直接刺激時，其cdi-GMP 受體會接收并放大信號，促進細菌體內多糖的合成[14]。此外，信號分子也能直接作用于微藻。AMIN 等[22]指出硫化桿菌能將硅藻（P.multiseries）分泌的色氨酸轉化為吲哚-3-乙酸，進而促進硅藻細胞的分裂。雖然針對該機制的詳細情況已有相關綜述說明[8,20]，但由于沼液中還存在多種激素分子，將影響著藻菌間的信號傳導，基于此類相關問題研究較少，還有待深入探究。

1.3 基因轉移

水平基因轉移（horizontal gene transfer，HGT）是藻菌共同進化過程中的一個關鍵因素，即基因在微藻和細菌之間發生的水平轉移。在這個過程中，遺傳物質是水平交換的，通常以細菌到微藻的HGT 為主[23]，因此細菌的HGT 已成為微藻遺傳序列的重要來源之一。在鳥嘌呤-尿素循環中，酶編碼基因從細菌轉移到受氮限制的硅藻中，可促進藻菌共生系統從長期的氮限制中快速恢復[24]。另有研究稱，細菌中編碼鐵蛋白吸收的基因也能通過HGT 轉移到硅藻中，從而使硅藻具備吸收鐵的能力[25]。RAYMOND 等[26]證實了奧地利雪藻的冰結合蛋白基因也來源于細菌。OLSSON 等[27]指出嗜酸衣藻中鉻耐受性的形成與細菌中的新型植物螯合素合酶基因的轉移密切相關。在沼液中，受污染物誘導的細菌抗性基因具有極易轉移到微藻的潛力[28]，主要包括雜交、轉化和轉導方式[29]，這也成為微藻應對污染脅迫的重要機制。雖然藻菌之間的HGT 對適應沼液環境壓力極其重要，但當前相關報道還較少，尤其是沼液中還存在各類污染物與抗性基因，這將深刻影響著藻菌原本的HGT 和后續藻菌之間的相互作用，如何闡明沼液環境中藻菌間具體的HGT 及其影響機制仍是當前的一個重要難題。

因此，基于以上討論，深入理解藻菌共生的三大作用關系，對于沼液的藻菌共生系統處理與資源化利用的研究與應用意義重大。

2 藻菌共生系統的類型

近年來，隨著藻菌共生研究取得的一系列突破，各類型的藻菌共生系統開始涌現。本綜述基于微藻和細菌在共生系統內的存在狀態與發展順序，將其分成游離型藻菌系統、附著型藻菌系統和藻菌共生光生物反應器。

游離型藻菌系統是藻菌共生系統的早期形式，微藻和細菌之間的協同作用較差，雖然構造簡單，但分離效果欠佳，目前研究較少。附著型藻菌系統通過讓微藻附在細菌絮體（如活性污泥）表面，共同形成顆粒體以捕集更多的微藻，進而形成尺寸更大的緊密顆粒體[30]，通常分為著生型和固定型。著生型中最常見的為著生微藻-生物膜系統，該系統由人工接種的著生微藻、生物膜填料與載體所組成，微藻和細菌通過附在載體與填料上形成生物膜，以促進穩定微環境的構建[9]，但該系統存在一定的局限性，在處理過程中存在著藻菌流失。固定型藻菌系統將藻菌與固定化載體材料通過吸附和包埋等固定化方式形成多孔隙結構和穩定的生物膜，從而實現水力停留時間與藻菌停留時間的分離，不僅利于藻菌細胞的穩定生長，而且能解決藻菌流失問題，具有運行穩定、反應速率快和微藻易于收獲等優勢。但目前缺乏適用于藻菌共生系統的新型固定化載體，且常用的固定化載體材料在應用中存在微毒性、不穩定、易被微生物分解等缺陷。由此可見，固定化材料問題的解決對于固定型藻菌系統的應用與推廣具有決定性作用，新型固定化載體材料的研究是未來的重要研究方向。

藻菌共生光生物反應器把藻菌共生體系與光反應器相結合，具有實現同步增強養分吸收速率與生物質收獲效率的效果，該反應器去除污染物的效果顯著，一般可分為開放式和封閉式兩類。開放式反應器建造成本低，操作簡單，是當前實際生產應用中最常用的一類。LI等[31]基于自然光照成功構建了膜曝氣開放式藻菌生物膜反應器，該反應器由水力系統、曝氣系統、膜系統和燈光系統所組成，系統中心具有一個穩定協同作用的多功能生物膜，對進液中有機物和NH4+-N 的去除率分別高達90%和92%，且具有明顯的經濟效益。但反應器內培養條件難以控制、易受外界污染[32]。而封閉式反應器的運行環境一般為密閉透明管或柱，幾乎不受外界環境干擾，穩定且易于調控，是目前研究較多的培養系統，常見的封閉式藻菌共生光生物反應器（藻菌生物膜反應器）如圖2 所示。

圖2 常見的封閉式藻菌共生光生物反應器Fig.2 Common closed photobioreactor of microalgae-bacteria symbiosis

LEE 等[33]設計的封閉藻菌共生的垂直光生物反應器新工藝，首次將自熱嗜熱好氧消化、膨脹顆粒污泥床和垂直光生物反應器三者相結合，其出水的揮發性固體和化學需氧量（chemical oxygen demand，COD）濃度分別降低了99.3%和99.7%，拓寬了光反應器的設計思路，但存在造價和運行成本高昂、適用范圍窄等不足。可考慮將兩種類型的優勢充分結合，前期運用封閉式藻菌光生物反應器系統使藻菌大量增殖，后期將藻菌成規模接種入開放式藻菌光生物反應器中[34]。

總體而言，藻菌共生系統在系統構建過程中仍需充分協調前期沼液預處理與反應器的對接，同時可采用具有多孔結構的表面粗糙材料（如棉片、玻璃纖維、尼龍網等[35]）以促進藻菌的附著生長，最大限度地激活藻菌共生系統的凈化與資源化利用潛力。此外，各類型的藻菌共生系統仍存在著末端微藻生物質的收獲與精煉的技術瓶頸[36]，如何實現低成本、低風險、高效益地收獲微藻生物質并獲取其精煉產品仍是當前的研究難點。

3 藻菌共生系統對沼液中污染物的去除

3.1 沼液污染物特征

作為畜禽糞污厭氧消化后的副產物，畜禽沼液除含有豐富的營養物質外，還含有多種污染因子，如氨氮、總磷、COD 等[3]，但由于飼養方式、清糞方式、消化底物和厭氧消化條件等不同，國內外畜禽沼液在成分上可能有著顯著區別，甚至同樣是豬糞類沼液，其中氨氮、總磷、COD 等濃度也存在差異[37]。通常畜禽沼液中總氮濃度可達到200～5 500 mg/L，總磷（7.0～716 mg/L）和難降解有機物（300～18 000 mg/L）的濃度也較高[38-39]。此外，為了提高畜禽的養殖效益，養殖戶往往使用大量的飼料添加劑（含重金屬）、抗生素藥物來加速和保障畜禽的生長，而這些物質最后大部分轉移到了畜禽沼液中，進而造成沼液中重金屬和抗生素的累積。CHANG 等[40]對長江流域三個代表性養殖場沼液的重金屬情況進行了調查和評估，其中所有養殖場沼液中Cd和Pb 的濃度均超過了《中國農田灌溉水質標準》的限值。KE 等[38]檢測了16 個城市不同原料的沼液樣本后發現其表現出嚴重的砷元素污染，而且豬糞沼液中抗生素含量最高，主要為磺胺類、喹諾酮類和四環素類。衛丹等[41]發現嘉興市10 家養豬場沼液中抗生素總濃度最高可達到1.09 mg/L。國外有研究報道經過厭氧消化后的豬糞沼液中四環素、土霉素和金霉素的殘余量分別可以達到0.95、0.94、0.12 mg/L[42]，均遠超歐盟規定的水環境抗生素閾值（10 ng/L）[5]。

3.2 污染物的去除

越來越多的研究已經表明藻菌共生系統具有優越的沼液凈化能力[43]。雖然不同地區、不同底物來源的畜禽沼液中所含污染物的情況有顯著差異，但在藻菌共生系統中的去除機理基本相似。藻菌共生系統主要通過生物吸附、生物降解、揮發去除等機制[44]高效去除沼液中的氮、磷等營養元素、難降解有機物（如抗生素）和重金屬，其污染物去除機理如圖3 所示。

圖3 藻菌共生系統去除沼液中污染物的機制Fig.3 Mechanisms of contaminant removal from biogas slurry by microalgae-bacteria symbiosis system

3.2.1 沼液中氮、磷的去除接吸

藻收菌和共間生接系作統用去除[45]。沼直液接中吸的收氮包、括磷微等藻的和機細理菌分對為氮直、磷等營養元素吸收同化與生物轉化。氮是沼液中含量最豐富的營養元素，主要以氨態氮（NH3、NH4+-N）的形式存在[4,46]，當其進入藻菌共生系統后，一部分NH4+-N通過細菌的硝化和反硝化作用，生成N2排出，另一部分NH4+-N 則通過硝化作用生成NO3--N 與未被硝化的剩余NH4+-N 被微藻同化吸收。微藻對各含氮化合物的利用順序[47]為NH4+-N、NO3--N、NO2--N，微藻可直接利用NH4+-N 合成氨基酸[9]，因此微藻的同化吸收是沼液中NH4+-N 去除的主要途徑[31]。磷作為細胞核糖核酸、ATP、細胞膜生成的基本元素，也是微藻生長的必備元素。沼液中的磷主要通過微藻細胞的光合磷酸化、底物水平磷酸化被同化[48]。在有機底物充足的情況下，藻菌共生系統可以有效提高磷的去除率[49]。此外，間接作用主要為微藻/細菌通過對環境中pH 的調控，使得氨揮發和磷沉淀。當系統中pH 值大于8 時，有一部分氨將以NH3的形式揮發出來，磷在較高的環境pH 值下（pH 值為9）會與Ca2+結合形成沉淀。LI 等[11]通過Scenedesmus obliquus和Bacillus megaterium共培養處理后的高濃度沼液中總磷和NH4+-N 的去除率較單一微藻處理法分別增加了18.19%和53.49%。

3.2.2 沼液中難降解有機物的去除

沼液中高濃度的COD 會抑制微藻的生長[50]，在藻菌共生系統中，首先借助細菌的新陳代謝作用，對沼液中的有機物進行生物降解和礦化，將其轉化為CO2和其他溶解有機碳[51]，以降低系統中的COD 含量，隨后與微藻發生營養交換，微藻提供的O2再強化異養細菌對有機物的礦化作用，進而促進了COD 的降解。藻菌共生系統針對COD 的去除機制主要為微藻和細菌的生物降解、生物吸附和生物累積[52]。以沼液中典型的一類難降解有機物——抗生素為例，主要通過藻菌共生系統的生物降解與吸附作用去除[53]。生物降解作為藻菌共生系統中去除抗生素最有效的機制，主要依靠抗生素脅迫下的藻菌分泌的胞外酶來促進系統內抗生素的水解、催化氧化等作用的發生，進而實現抗生素的礦化分解[54]。韋艷玲[55]得出小球藻對氯霉素類抗生素甲砜霉素的生物降解機制主要為羥基化反應、氧化還原、側鏈斷開和脫氯反應。此外，生物吸附對抗生素毒性的削減也不可忽視。WANG等[56]發現藻菌共生系統主要通過生物吸附去除金霉素，前12 h 內的吸附量可增加40.82 mg/g。在抗生素作用下，沼液環境中的菌藻共生體由單個顆粒狀轉變為相互連接的團塊狀，微藻、細菌細胞壁和藻菌共生系統中的EPS對抗生素進行直接的生物吸附[57]，如EPS 蛋白中的色氨酸能與四環素直接結合[58]。然而，藻菌對抗生素環境的適應周期較長，初始處理過程中抗生素對藻菌的毒害作用極為明顯，其很可能直接干擾藻菌間的信號傳導，在一定程度上影響微藻釋放的細胞外產物或直接抑制細菌的代謝活性，進而導致在沼液凈化初期抗生素的去除效率并不理想。因此，如何減輕抗生素及其他難降解有機污染物對藻菌生長的壓力效應值得綜合考慮。

3.2.3 沼液中重金屬的去除

藻菌共生系統對沼液中重金屬的去除機制為生物吸附、生物吸收、氧化還原轉化等。在系統的重金屬容納閾值內，一部分重金屬離子和藻菌產生的蛋白質與多肽形成螯合物，促進重金屬離子的吸附[59]。系統對重金屬的去除主要以微藻的生物吸附為主，較之細菌，微藻對重金屬的耐受性更高[60]。其一，微藻上附著的大量細菌和EPS 構成了微藻細胞的保護屏障，EPS 中含有大量的官能團（如羧基、氨基、羰基、羥基）能直接捕獲沼液中的重金屬，以防止其進入細胞內部[61]。其二，微藻的細胞壁上有羰基、磷酰基和胺基等官能團，使得微藻細胞壁帶負電荷[52]，微藻細胞表層可以通過靜電吸附作用與重金屬陽離子緊密結合。此外，另一部分重金屬離子則通過細菌的氧化還原、甲基化等作用改變重金屬的形態特征，減小毒害作用[59]。細菌表面則可通過靜電引力、離子交換、氧化還原和無機微沉淀等作用與金屬離子發生吸附效應[62]，細菌產生的代謝產物對溶解態重金屬離子具有極強的絡合能力，能阻止某些特定的重金屬離子進入到細胞內關鍵部位，進而使其無害化。據報道，微藻-活性污泥共生系統在外加葡萄糖作電子供體的情況下，對總鉻的去除率高達93%[63]。但是不同的藻菌類型對重金屬的去除效果存在顯著差異，加之來源不同的沼液中重金屬的種類和濃度不同，因而在實際應用時需要充分考慮去除對象和目標。

4 藻菌共生系統的影響因素

在整個處理過程中，按照各因素對藻菌共生系統的影響程度排序，微藻和細菌的生長主要會受到藻菌配比以及環境因素中的營養物質、曝氣率、pH 值、溫度、光照條件、重金屬和抗生素等的直接影響，而這些因素也是調控藻菌共生系統以及決定系統處理效果的關鍵參數。

4.1 藻菌搭配與接種比

在藻菌共生系統中，微藻和細菌菌株類型在系統CO2利用效率和生物量積累等方面起著決定性作用[64]。不同的微藻和細菌間共生作用的強弱不同，不同的藻菌搭配所產生的環境效應差異顯著，進而直接影響著共生系統處理畜禽沼液中污染物的能力和系統的微生態結構。此外，畜禽沼液中也存在著大量微生物，如細菌、真菌和病毒等，且殘存著大量厭氧消化過程中的水解菌、產酸菌和甲烷菌[39]，不可避免地會與目標藻菌形成競爭作用。因此，在沼液處理之前，篩選出沼液環境中抗污染能力強、占優勢地位的微藻與目標細菌顯得尤為重要。在選擇合適的藻菌搭配時，還需要密切關注目標藻菌的類型與習性，根據微藻去除氮、磷的能力以及對不同廢水的適應性，綜合考慮微藻和細菌的協同能力。常見藻菌搭配的共生系統處理畜禽沼液效果如表1 所示。由于小球藻（Chlorella vulgaris）對污染物的高耐受性，而且能有效地將沼液中豐富的氮、磷等轉化為增值產品[65]，同時小球藻也可以忍受高CO2濃度，光合作用效率高[66]，因而在藻菌共生系統中應用廣泛。在實際操作中，一般將其與特定功能菌或活性污泥組合。

表1 不同藻菌搭配的共生系統畜禽沼液處理效果Table 1 Treatment effect of biogas slurry from livestock and poultry industry by symbiosis system with different microalgae-bacteria

除了藻菌搭配，藻菌的接種比也是一個影響藻菌共生系統建立以及系統穩定性的重要因素。由于細菌本身對微藻的生長具有雙重效應，當細菌菌劑投放過多時，會弱化共生關系，進而增強細菌同微藻的競爭關系，甚至一些菌株能分泌出纖維素酶來傷害微藻細胞[69]，所以合適的藻菌接種比對于提高系統穩定性和污染物去除率具有積極作用。HUANG 等[67]發現當小球藻與Shinella sp.YHB03 的接種比例從2:1 增加到50:1 時，藻菌共生系統的協同效應先增加后降低，以20:1 為最佳。同時有研究表明，藻菌共生系統中微藻葉綠素a 濃度與初始藻菌比顯著相關[21]。但郁穎等[70]發現，在5 組不同藻菌配比（1:5、1:2、1:1、2:1 和5:1）的生長試驗下，藻菌配比為5:1 時，微藻生長狀況最好，葉綠素a 最高可達753.18 μg/L。由此可見，不同的微藻和細菌類型，其最適的藻菌配比也有顯著差異，合適的藻菌搭配和接種比對于藻菌的生長代謝起著關鍵性作用，優勢微藻和細菌的篩選與特異性搭配是提高藻菌共生系統穩定性與高效性的核心要素。

4.2 營養物質

營養物質作為藻菌共生系統建立的最重要的環境因素，是維系藻菌間營養交換的基礎。沼液中存在的營養物質（如N、P 和K 等）是藻菌生長代謝的物質來源，當微藻通過光合作用利用太陽能時，也需要各種必需營養元素（如C、N、P、S、K、Fe 等）來合成它們自身的生物質化合物，若缺乏其中一種元素就可能導致其生長停緩，甚至造成藻菌共生系統的啟動失敗。C/N/P 比是驅動藻菌共生系統中優勢種形成和微生物群落演替的關鍵因素，高C/N/P 比（C/N/P=106:16:1）有利于共培養時NH4+-N 的去除[11]。盡管該比例主要由沼液的來源和成分所決定，但仍可通過科學計算和人工調控來確定最佳的C/N/P 比，進而維持共生系統的穩定。此外，沼液中存在的各類其他物質，如維生素B12、植物激素（吲哚乙酸、細胞分裂素等），理論上會改變細菌吸附微藻的能力，刺激微藻的生長代謝[61]。當系統中營養不足時，會加劇系統內部微生物的競爭，阻礙藻菌間正常的營養交換，造成系統內微生態的失衡[8]。但系統內營養也不宜過高，一旦營養過飽和，高負荷的營養物質不僅不能被藻菌同化吸收，甚至會產生毒害作用，抑制藻菌的生長以及污染物的去除能力[9]。而通常沼液具有高負荷的N、P 營養元素，因此在系統運行時，需定期監測系統進出水狀況，調整碳、氮和磷的比例與微生物生長所消耗的營養物質的比例，最大化發揮藻菌共生系統的沼液凈化與生物質生產的能力。

4.3 曝氣率

作為僅次于營養物質的影響因素，曝氣對系統中的沼液凈化、碳固定起著重要作用。曝氣不僅能使系統中的O2和CO2濃度發生變化，還能改變系統的混合狀態。若系統曝氣率過低，一旦系統中CO2濃度過高時，CO2濃度也會影響著處理過程中系統的pH 值[64]，進而抑制著微藻細胞的生長。可若曝氣過度，所產生的機械力將對微藻和細菌的細胞造成傷害，從而直接影響細胞聚集狀態、代謝速率及存活率[71]。加之藻菌共生系統中O2與CO2可以實現內部循環，當水中的溶解氧濃度過高時會限制微藻的光合作用。適當降低曝氣率可削弱水力剪切力，有助于微藻的生長，促進微藻和細菌絮體之間的相互作用[72]。此外，有研究發現，在20 mL/min 的曝氣率下，采用夜間曝氣的方式更能提高系統中微藻生物量的產量，并使微藻與細菌共生系統的長期運行更加穩定[73]。因此，在系統運行時進一步優化曝氣條件有助于藻菌共生系統穩定性、沼液中營養物質的利用率以及污染物的去除率的提高。

4.4 pH 值與溫度

pH 值與溫度是限制和調控藻菌共生系統的重要因素，影響著微藻和細菌的細胞活性與生化反應速率。大部分藻菌生長的理想pH 值范圍[8]為8.2～8.7，但系統中的pH 值和沼液類型以及曝氣率等密切相關，系統中的最適pH 值主要取決于所選用的藻菌類型。此外，溫度可直接影響微藻和細菌的生化反應過程。對于大多數的微藻而言，最適宜的溫度為20～30 ℃。合適的溫度能提高微藻葉綠素、細胞內酶活性和生物質產量[74]。溫度過低引起代謝緩慢，溫度過高將使蛋白質失活，甚至造成微藻與細菌的失活。LI 等[14]驗證了藻菌共生系統溫度保持在25 ℃、pH 值為6.0 的條件下，藻菌的干重和微藻的吸附效率最高。然而，系統的溫度通常會隨著外部環境的變化而變化，所以需要定期監測內部溫度變化，確保系統溫度處于合適的溫度范圍內，這對藻菌細胞的生長分裂和共生系統的穩定起著保障作用。

4.5 光照條件

光照作為藻菌共生系統中提供能量來源的重要方式，和以上直接影響藻菌共生系統建立與穩定的因素不同，光照直接影響著微藻合成有機物的過程[8]。一般情況下，隨著光照強度的增加，藻類的光合作用也隨之增強，但一旦超過微藻的光飽和點，光合作用反而受到抑制，如小球藻HS2 的光飽和點為450 μmol/(m2·s)[75]。在強光照環境下，系統中的氨氧化菌和亞硝酸鹽氧化菌的活性都會受到一定程度的抑制[76]，PENG 等[77]證實了光照通過調節能量代謝和物質合成的關鍵酶，進而影響紫色非硫細菌的生長。此外，保持一定的黑暗期有助于部分光敏感細菌的生長，提高菌群的物種豐富度[78]。光照強度對藻菌共生系統細菌群落結構也會產生一定的影響，光照強度的增強會提高系統中紅桿菌屬的相對豐度[79]。

4.6 重金屬與抗生素

重金屬與抗生素作為系統的去除對象，其對共生系統的影響常被忽略。雖然藻菌共生體可形成的大量EPS以降低重金屬和抗生素的生物有效性和毒性[15]，能在一定程度上緩解污染物對微藻和細菌的影響，但污染物的濃度一旦超過藻菌共生系統的耐受限度（如Cu 濃度超過208 mg/L 會造成50%的小球藻生長受到抑制）[61]，將在營養交換、信號傳遞和水平基因轉移層面嚴重制約著微藻和細菌的微環境平衡，進而抑制著微藻和細菌的生存[61]。因此，在藻菌共生系統處理沼液之前必須對沼液進行預處理，稀釋或濾除部分沼液中的重金屬和抗生素。

5 結論與展望

5.1 結論

作為一種低成本、高效率、環境友好的沼液處理與資源化利用的新興方法，藻菌共生系統能夠有效地實現沼液凈化、資源回收和碳減排，基于藻菌共生系統的沼液處理方法的應用前景廣闊。本文對藻菌共生系統處理沼液的共生機制、類型、污染物去除及其影響因素等方面進行了全面的綜述總結，主要結論如下：1）藻菌的共生作用機制為營養交換、信號傳導和基因轉移，是藻菌共生系統實現沼液凈化與資源化利用的基礎。2）基于微藻和細菌在共生系統內的存在狀態與發展順序，可將其分成游離型藻菌系統、附著型藻菌系統和藻菌共生光生物反應器，在系統構建過程中均需要充分協調前期沼液預處理與反應器的對接。3）藻菌共生系統主要通過生物吸附、生物降解、揮發去除等機制高效去除沼液中的氮、磷等營養元素、難降解有機物（如抗生素）和重金屬等。4）微藻和細菌的生長主要受到藻菌配比、營養物質、曝氣率、pH、溫度、光照條件、重金屬和抗生素等因素的直接影響，作為調控藻菌共生系統的關鍵參數，其核心要義是根據目標畜禽沼液的水質特點、期望的處理效果以及末端微藻生物質的品質來選擇合適的藻菌配比和環境參數。

5.2 展 望

鑒于沼液和藻菌共生系統的復雜性、影響因素的多維性，目前基于藻菌共生系統的沼液處理的相關應用少，大體處于實驗室階段，中試規模極少，在機制探討（對沼液環境中的藻菌信號傳導和基因轉移了解不夠全面）、反應器構建、關鍵參數調控（影響因素對共生機制的影響）等方面仍存在著一些問題，未來需在以下方面深入研究：

1）加強對藻菌間信號傳導和基因轉移的探索，包括對分子水平上藻菌間的代謝物、信號分子、轉運蛋白等的功能及其影響機制仍需進一步研究，尤其是利用藻菌間的信號分子和群體感應機制強化共生作用以增強藻菌共生系統的穩定性。同時可通過基因標記識別、宏基因組測序等分子生物學和生物信息學手段識別可移動遺傳元件、獲取基因組背景以進一步闡明沼液環境中藻菌間具體的水平基因轉移及其影響機制。

2）沼液本身具有復雜的物理、化學和生物特性，對目標藻菌的共培養存在一定的抑制作用，因此需拓展預處理方法，優化沼液預處理效果，減輕抗生素、重金屬及其他污染物對藻菌生長的壓力效應，以縮短藻菌的生長適應期。

3）充分協調前端預處理與反應器的對接，同時設計新型穩定且廉價的固定化載體材料，綜合密閉式和開放式光生物反應器的優勢，以開發更穩定、更可控、更高效的適用于高濃度沼液的新型藻菌共生光生物反應器。

4）開展藻菌共生系統中試工程應用研究，注重長期的效果評估與工程實踐經驗的累積，并結合現實應用情況與數學模型，開展多因素的調控試驗，包括藻菌的特異性配對、新型污染物的耦合去除等，進一步優化系統的運行參數，以最大限度激活藻菌共生系統的凈化與資源化潛力。

5）末端微藻生物質的收獲與精煉仍存在著技術瓶頸，如何實現低成本、低風險、高效益地收獲微藻生物質并提取其精煉產品仍是未來的研究重點與難點。因此，未來亟需打通基于藻菌共生系統的沼液處理模式的上下游通道，進而實現從沼液到微藻生物質精煉產品的全鏈條資源循環。