菌藻共生系統污水處理及CO2固定作用機制的研究進展

安 浩,吳鑫明,操家順,李 超,*,劉偉京

(1.中國五冶集團有限公司,四川成都 610000;2.河海大學環境學院,江蘇南京 210098;3.河海大學淺水湖泊綜合治理與資源開發教育部重點實驗室,江蘇南京 210098;4.江蘇省環境科學研究院,江蘇南京 210036)

近年來,隨著人類生產及生活活動的增加,工農業廢水及生活污水大量排放,嚴重污染了水生態環境,極易引起水體富營養化[1]。目前,許多生物處理技術已經被廣泛應用到了市政污水的處理中,包括傳統活性污泥(CAS)技術[2]、人工濕地技術[3]、植物修復技術[4]、生物膜技術[5]和微生物燃料電池技術[6]等。此外,高級氧化技術也可實現對有機物和氮磷的高效去除[7]。雖然這些工藝取得了良好的污染物去除效果,但它們仍存在能源消耗大和溫室氣體(例如:CO2、CH4)排放等缺點,不滿足當前低碳發展的要求。因此,開發既能實現污水處理同時又能減少溫室氣體排放的處理技術迫在眉睫。

菌藻共生技術作為一種能實現同步處理污水和固定CO2的綠色處理技術引起了越來越多的關注[8]。細菌和微藻通過二者間的相互作用和協同增效來提高污水處理過程中的污染物去除率(圖1)。微藻能有效同化CO2同時產生O2來代替外部曝氣,而O2又被細菌用來氧化有機物產生CO2。在這個過程中,光作為菌藻系統處理廢水的能量來源,可以減少曝氣電能消耗,并且光合作用吸收CO2可以減少溫室氣體排放[9]。微藻吸收污水中氮磷等污染物并將其轉化為生物質,細菌自身代謝產生信號分子、微量元素和無機碳源等供微藻生長。微藻被證明可以和硝化細菌的相互作用來改變氮轉化效率[10-11],并影響磷酸鹽吸收的微生物群落豐度[12]。作為一種綠色工藝,菌藻共生技術為未來的城市污水處理實現“碳達峰”和“碳中和”目標提供了可能。然而,目前研究都集中在菌藻共生系統處理廢水和固定CO2的菌種和藻種篩選上,重點關注菌藻共生系統對污染物的去除效率和CO2的固定效率:Xu等[13]研究了微藻與內生細菌(S395-2)共生系統凈化沼氣,當菌藻比例為10∶1時取得最佳凈化效果,COD、氮、磷和CO2的去除效率分別為88.29%±5.03%、88.31%±4.29%、88.21%±4.51%和68.13%±1.69%。這忽略了細菌和微藻在處理廢水和固定CO2過程中二者相互作用機理的研究。

圖1 菌藻共生系統凈水固碳作用

本文綜述了菌藻共生系統在減污固碳過程中的作用效能,并從脫氮除磷以及CO2固定的角度闡述了菌藻共生系統的相互作用機制,最后對菌藻共生體系實際應用中的現存問題進行了總結,并對未來的研究方向提出了建議,為今后菌藻共生體系的工程應用提供了理論支持。

1 菌藻共生系統去除氮

1.1 菌藻共生系統去除氨氮

圖2 菌藻共生系統脫氮機理

硝化作用并不是菌藻共生系統中去除氨氮的唯一途徑。微藻和部分異養細菌將氨氮作為營養物質吸收,然后將其同化為細胞組分,從而實現水中氨氮的去除。氨氮通過微藻細胞內產生的轉運器轉運到微藻細胞中,在谷氨酰胺合成酶和谷氨酸脫氫酶等酶的作用下,氨氮可以很容易地被同化為氨基酸,成為微藻生物質的一部分[17]。Bankston等[12]發現,通過微藻同化作用去除的氨氮幾乎是硝化作用去除的2倍。細菌可以促進微藻生物質吸收同化較高濃度的氨氮。Bankston等[8]發現,投加活性污泥后的菌藻共生系統與微藻單獨作用時相比,既可以促進微藻對氨氮的同化吸收,還能使微藻保持較高的生長速率。

水中氨氮濃度是影響菌藻間作用關系的重要參數。在低氨氮濃度下,由于缺乏氨氮,微藻和硝化細菌之間為競爭關系,二者相互釋放具有抑制作用的物質(例如藻毒素、植物激素等),對微藻和細菌間關系產生負面影響[18]。Choi等[19]在一項研究中發現,當水中氨氮含量不足,微藻的存在抑制了菌群77%的硝化作用。當氨氮濃度高時,可供硝化細菌反應和微藻同化的氮源充足,微藻和硝化細菌之間是互利共生關系。Su等[20]發現,在氨氮含量充足的條件下,小球藻和細菌共同培養與藻類、細菌分別單獨培養相比,氨氮的去除率明顯提高。

1.2 菌藻共生系統去除硝態氮

反硝化過程主要發生在缺氧條件下,但在菌藻共生系統中,微藻通過光合作用產生O2會抑制反硝化過程相關酶的活性,進而影響反硝化進程[20]。Petrovi等[24]發現,菌藻共生系統中反硝化過程的反應速率低于反硝化細菌單獨作用時的反應速率。此外,在菌藻共生系統中,夜間藻類呼吸會消耗大量的DO[25],從而進一步強化了反硝化過程所需的厭氧環境。白天微藻通過光合作用制造O2提高DO含量,有助于硝化作用的發生;黑暗條件下微藻通過呼吸代謝進一步消耗DO,為反硝化作用創造了良好的缺氧環境。廢水中有機碳源的存在有助于黑暗條件下微藻和細菌呼吸代謝進一步消耗廢水中DO,為反硝化過程構建缺氧環境。Rezvani等[26]證明,菌藻共生體系中微藻可以利用光照期間產生的O2,在黑暗條件下降解廢水中有機物。

菌藻間的協同作用可以實現二者代謝產物的交換,以滿足二者各自的營養需求[27]。例如,微藻光合作用產生的有機物可以為低有機負荷廢水中的細菌提供有機碳源,細菌反過來可以通過自身代謝活動降解微藻產生的有機物,抑制廢水中COD含量的增長[28]。另外,某些微藻可以為自養反硝化細菌在硝酸鹽還原過程中提供其所需的氫氣。微藻黑暗條件下產生氫氣,為反硝化的進行提供物質保障;在白天,微藻通過光合作用重建碳儲備,為后期氫氣的產生提供動力。Rezvani等[29]比較了耗氫脫硝器(HCD)-菌藻共生系統與HCD-單獨細菌作用下的硝酸鹽去除效率,在不注入外部氫氣的情況下,HCD-菌藻共生系統具有更高的硝酸鹽去除率。菌藻間可以通過群體感應(QS)信號分子實現胞間通訊,從而調節各種生命活動與代謝過程。Ji等[30]研究發現,地衣芽孢桿菌產生的一種信號分子AIP可被QS受體感知,細菌細胞內的c-di-GMP受體接收并放大信號,誘導細菌產生某些物質,刺激普通小球藻細胞中葉綠素代謝相關基因的表達。結果發現,共生系統中的葉綠素a濃度隨著干細胞重量的顯著增加而增加。當初始菌藻比例為3∶1時,共生系統的相互作用和協同效應最為明顯,COD、TP、TN的去除率分別為86.55%、80.28%、88.95%,此時c-di-GMP的質量分數達到了3.85 μg/g,AIP的質量濃度達到了2.81 mg/L。

2 菌藻共生系統去除磷

圖3 菌藻共生系統除磷機理

聚磷菌是污水處理廠中起主要作用的除磷菌[32]。聚磷菌在厭氧-好氧交替條件下將廢水中吸收的正磷酸鹽以多磷酸鹽的形式儲存在細胞內[33],在厭氧條件下,聚磷菌利用聚磷酸鹽水解產生的能量吸收廢水中的碳源,并以聚羥基烷酸(PHAs)和聚羥基丁酸(PHBs)的形式儲存在細胞內,同時水解產生的正磷酸鹽釋放到水中。在好氧條件下,聚磷菌利用細胞內的PHAs和PHBs為碳源,過量吸收廢水中的正磷酸鹽合成聚磷酸鹽儲存在細胞內,將廢水中的磷轉移到聚磷菌體內。最終,聚磷菌體內的聚磷酸鹽隨著剩余污泥的排放而去除[34-35]。微藻可以與聚磷菌相互作用,促進對磷的去除,甚至微藻可以直接吸收積累聚磷酸鹽[36]。Ji等[37]研究了非曝氣菌藻顆粒污泥工藝中磷的去除,結果表明,進水中近86%的磷酸鹽在6 h內被去除,其中包括在黑暗條件下反應2 h和光照條件下反應4 h,觀察到菌藻顆粒污泥在黑暗階段有少量的磷釋放,在光照條件下廢水中的聚磷酸鹽被大量吸收。

微藻還可以通過同化作用從廢水中去除磷酸鹽。正磷酸鹽被吸附在細胞表面[38],然后被運送進細胞內同化與供細胞生長[39]。根據Rezvani等[29]的一項研究,微藻對磷酸鹽的同化是菌藻共生系統中磷酸鹽去除的主要機制。磷是微藻光合作用所需的重要元素,其平均含量占微藻干重的1%[18],磷的缺乏會降低光合作用卡爾文循環中底物的合成和再生速率,從而抑制微藻光合作用的進行[18]。菌藻共生系統是提高除磷效率的一種可持續方法。Rezvani等[29]表明,與單一微藻[4.5 mg/(L·d)]和細菌[2.6 mg/(L·d)]除磷效率相比,菌藻共生系統[6.34 mg/(L·d)]擁有更高的磷酸鹽去除率。菌藻共生系統的同化率主要由藻類生長率決定,并且細菌的存在可以促進微藻的生長。細菌可以通過提供維生素[40]和植物激素[41](例如,生長素和發光色素)來促進微藻的生長。細菌提供的維生素等輔助因子已被證明可以改善藻類生長和廢水養分吸收[40],例如,生長素可以促進植物和微藻細胞生長[42],同時抑制氧化應激反應[43]。此外﹐Liu等[44]在研究菌-藻生物膜EPS時發現,由于菌-藻生物膜表面含有蛋白質和多聚糖等組分﹐其具有豐富的含氧官能團,有機磷可以與EPS發生配位作用結合,通過剩余污泥沉淀去除。

3 菌藻共生系統固定CO2

微藻具有從空氣中固定CO2的能力,并將CO2作為無機碳源供其生長和代謝[45]。據報道,每生產1 t微藻類生物質可以固定1.83 t CO2,其固碳效率是陸生植物的10～15倍[46]。表1總結了不同種類的菌藻共生系統減污降碳性能。

表1 不同種類的菌藻共生系統減污降碳性能

微藻有3種固碳模式,分別為光合自養固碳、異養固碳和兼養固碳[17]。光合自養固碳是指微藻通過光合作用,在葉綠素或其他光合色素的作用下將CO2和H2O轉化為三磷酸腺苷(ATP)和還原型煙酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸(NADPH)等光反應產物的過程[51],微藻細胞光合作用固碳機理如圖4所示。微藻細胞中的光合作用分光反應和暗反應兩個階段進行。光反應由光驅動,利用光能將煙酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸(NADP+)和二磷酸腺苷(ADP)轉化為儲存能量的NADPH和ATP。暗反應不需光參與,且與光反應同時發生,微藻細胞利用光反應過程中產生的NADPH和ATP固定大氣中CO2。暗反應中,微藻通過卡爾文循環的羧化、還原和再生三階段來實現CO2捕獲。羧化階段,在核酮糖-1,5-二磷酸羧化酶(RuBisCo)的催化作用下,CO2與核酮糖-1,5-二磷酸(RuBP)結合生成3-磷酸甘油酯(3-PGA),從而實現CO2固定。還原階段,在3-磷酸甘油酯激酶的催化下,3-PGA被ATP磷酸化形成1,3-二磷酸甘油酯;然后在甘油醛磷酸脫氫酶的催化下,1,3-二磷酸甘油酯被NADPH還原生成3-磷酸甘油醛(G-3-P)。在最后的再生階段,G-3-P經過一系列反應生成核酮糖-5-磷酸,在核酮糖磷酸激酶的作用下生產RuBP,重新進入羧化階段,開啟下一個卡爾文循環[51-52]。微藻異養固碳是指在沒有外加無機碳源條件下,以有機碳作為電子供體,微藻通過光合自養生長過程將自身呼吸代謝產生的所有CO2全部吸收[53]。微藻兼養固碳時,藻細胞會優先進行光自養過程[53],通過光自養途徑產生的O2不斷積累,在微藻細胞內形成高濃度DO環境時促進微藻的異養過程的發生。

注:Pi為游離的磷酸基團。

4 結論與展望

針對水生態環境污染嚴重、現有水處理工藝能耗高、溫室氣體大量排放等問題,菌藻共生系統為去除廢水中氮磷污染物以及減少溫室氣體排放提供了一種綠色可持續的解決方案。文章綜述了菌藻共生體系提高減污固碳的作用效能及作用機制,微藻可為硝化細菌提供O2促進對氨氮的轉化,菌藻共生系統生成的EPS能夠減輕強光照射對菌藻共生系統細胞活性的抑制作用,保證氨氮相關轉化菌的活性。夜間藻類呼吸會消耗大量的DO有利于營造缺氧環境,有助于反硝化作用的進行。微藻對磷酸鹽的同化是菌藻共生系統中磷酸鹽去除的主要機制,細菌通過提供維生素和植物激素來促進微藻生長,從而有助于磷的去除。微藻利用光合作用通過光反應和暗反應兩個階段來實現CO2固定,提高CA和RuBisCO羧化酶的活性可以提高微藻固定CO2的效率。菌藻共生系統在降解水中氮磷污染物及CO2固定上展現出廣闊的應用前景。

目前,菌藻共生系統在減污降碳領域的研究仍處于起步階段,菌藻共生系統的規模化應用及微藻生物燃料的資源化回收面臨一些障礙。筆者認為未來菌藻共生系統在減污降碳領域的發展可能主要分為以下幾個方向:(1)高效減污降碳菌藻的篩選,各種現有菌藻之間按照不同物質、比例、方式、條件進行復合,調配出高性能減污降碳的菌藻共生系統;(2)開發附著生長的菌藻生物膜系統,使其易于從水中分離沉降、結構穩定,并實現規模化應用;(3)新型菌藻共生催化劑的開發,隨著化工和材料科學的發展,越來越多的人工和天然材料作為菌藻共生系統高效減污降碳的催化劑供人們研究開發。總之,構建高效可靠的菌藻共生系統,降低實際運行維護及回收成本,將進一步加速菌藻共生系統在去除污水中氮磷污染物和固定CO2領域的實際應用。