污水中微藻的生物絮凝采收技術及展望

孟倩雅，馬桂霞，母銳敏，祁 峰，朱兆亮

（山東建筑大學市政與環(huán)境工程學院，山東濟南 250000）

化石能源的過度使用導致以CO2為主的溫室氣體被大量排放〔1〕。為促進可持續(xù)發(fā)展，實現碳中和目標〔2〕，人類迫切需要尋求綠色可再生的新型能源，以應對環(huán)境惡化帶來的挑戰(zhàn)。作為第三代生物質能源，微藻因對環(huán)境適應力強、生長速率快、收獲周期短、油脂含量高〔3〕，在生物燃料、高價值生物分子等方面具有潛在用途〔4〕，成為國內外學者研究的熱點。利用微藻生產生物質能源包括微藻的培養(yǎng)、采收、油脂提取和轉化幾個環(huán)節(jié)，其中微藻的采收是微藻生物質利用的最關鍵步驟。

微藻的個體微小，細胞密度小，采收困難，采收成本較高（占總生產成本的20%～30%〔5〕）。此外，考慮到微藻的資源化利用，應盡可能減少采收導致的藻類死亡〔6〕。傳統(tǒng)的物理、化學采收方法具有技術手段成熟、絮凝機理清晰、采收效率較高的優(yōu)點，但成本高、能耗高，且往往對下游工藝造成影響，增加了微藻生物質能源的利用難度〔7〕。而微藻的單一培養(yǎng)對環(huán)境要求高，易被細菌污染，且需要額外的營養(yǎng)物質供給，難以實現工業(yè)化生產與利用?；诖耍?菌共生生物技術應運而生。一方面，藻-菌共生體系對環(huán)境有高度的適應性〔8〕，擁有更強的抗逆能力；另一方面，該體系在減少CO2排放的同時〔9〕，還能利用生物絮凝方式促進藻類能源物質的產出和利用，實現污水凈化與生物質能源回收利用的雙重耦合。

微藻在污水處理及生物質能源產出中優(yōu)勢顯著，但以生物絮凝法為重點的微藻生物絮凝采收技術尚未得到足夠關注，目前有關研究也較為分散。筆者在簡單梳理微藻采收主要技術方法的基礎上，重點論述了以藻-菌共生污水處理系統(tǒng)中各種微生物為介導的新型生物絮凝法，旨在尋求節(jié)能高效、更具商業(yè)價值和發(fā)展?jié)摿Φ男滦托跄墒占夹g，以期為今后微藻生物質能源的商業(yè)化應用提供理論和技術支持。

1 傳統(tǒng)絮凝采收方法

1.1 物理采收法

傳統(tǒng)的物理采收方法主要有浮選、離心、重力沉降、過濾及超濾、膜分離等〔10〕，其機理及優(yōu)缺點如表1所示。

表1 傳統(tǒng)物理采收方法的采收機理及優(yōu)缺點Table 1 Harvesting mechanism，advantages and disadvantages of traditional physical harvesting methods

1.2 化學絮凝法

絮凝作用的一般機制有壓縮雙電層、電荷中和、吸附架橋、網捕卷掃。絮凝作用造成藻類懸浮液不穩(wěn)定往往是一種或多種機制共同作用的結果〔15〕。常用化學絮凝劑及其特點見表2。

表2 傳統(tǒng)無機絮凝劑和有機絮凝劑的特點Table 2 Characteristics of traditional inorganic and organic flocculants

綜上可知，不同化學采收法對微藻中脂質含量的影響差別不大〔26〕，但會影響脂質成分〔27〕。使用絮凝劑幫助回收微藻需要向系統(tǒng)添加化學物質，使得總溶解固體增加〔28〕，根據絮凝劑和藻種的不同，其在循環(huán)水中的殘留物可能會抑制或阻止藻類再次生長。

2 生物絮凝法

微藻的傳統(tǒng)采收方法中，物理采收法普遍能耗較高，成本升高；化學絮凝劑會導致污染；電絮凝法則需要昂貴的交換電極〔26〕，且普適性較差。需開發(fā)成本低廉、環(huán)境友好且普適性高的新型絮凝方式，以滿足當前微藻生物能源工藝的需要。生物絮凝法利用微藻自身分泌物或與微藻共培養(yǎng)的其他生物細胞誘導，促使目標微藻絮凝〔15〕。其中細菌和真菌均有良好的微藻收獲潛力，其機理如圖1所示。

圖1 生物絮凝法機理Fig.1 Mechanism of bioflocculation

2.1 微藻自絮凝法

微藻自絮凝是培養(yǎng)基中的微藻在細胞特殊的表面特性或胞外分泌物作用下，不添加絮凝劑而彼此聚集黏附，自發(fā)生成絮凝物進而沉淀的現象〔16〕。1965年就有研究者發(fā)現，微藻在光線充足的池塘中能夠自發(fā)形成絮體。研究表明，微藻自絮凝過程存在橋接和修補機制。當微藻細胞之間形成大的微藻細胞網時，涉及的機制為橋接；當微藻細胞之間更緊密附著，涉及的機制可能是通過絮凝微藻分泌的胞外多糖進行修補〔29〕。目前公認的微藻自絮凝機制有2種：（1）高pH條件下微藻懸濁液中形成帶正電的離子沉淀物，在電荷中和作用下誘發(fā)絮凝〔30〕。微藻通過光合作用消耗水中的CO2，使pH升高，促進正磷酸鹽的沉淀，吸附并與帶負電的微藻反應，最終導致微藻的聚集和沉淀〔31〕。（2）部分藻種生理活動產生的胞外聚合物（EPS）能夠作為生物絮凝劑誘發(fā)絮凝〔30〕。EPS是由微藻細胞壁分泌的一層黏性基質，主要由碳水化合物、蛋白質、脂類、核酸、糖蛋白和磷脂組成〔32〕。研究發(fā)現〔33〕，微藻絮凝活性的增強與EPS的碳水化合物濃度密切相關，雖然EPS作為生物絮凝劑不會增加微藻自身的脂質含量，但可提高38%～88%的微藻脂質產量，使藻類的絮凝收獲速度提高1.4～1.9倍。Meng WANG等〔34〕研究表明，在高氮低磷的污水條件下培養(yǎng)有助于Chlorellasp.和Micractiniumsp.EPS的產生。

利用微藻的自絮凝直接進行絮凝采收，一方面可提高絮凝效率，避免二次污染，另一方面降低了微藻細胞收獲過程的總成本〔35〕。其缺點在于并非所有種類的微藻都存在自絮凝〔36〕。

2.2 自絮凝微藻介導的微藻生物絮凝

目前已鑒定的微藻物種中只有少數具有自絮凝能力，如Ankistrodesmus falcutus〔37〕、C.vulgarisJSC-7、Ettlia texensisSAG79.80、Scenedesmus obliquus。一些研究者嘗試用自絮凝藻種增強非絮凝微藻細胞的絮凝作用。Suolian GUO等〔38〕對自絮凝藻種Scenedesmus obliquusAS-6-1的胞外聚合物進行表征，發(fā)現其可誘導多種自由懸浮的微藻細胞發(fā)生強烈絮凝，這是對自絮凝微藻絮凝劑特性的首次報道。S.SALIM等〔39〕將自絮凝活性較好但脂質產量較低的自絮凝藻種Scenedesmus obliquus與非絮凝產油藻共同培養(yǎng)，明顯縮短了非絮凝微藻的回收時間，并獲得較高的脂質產量和采收率。M.A.ALAM等〔40〕用Chlorella vulgarisJSC-7作為自絮凝微藻絮凝劑，對自由懸浮的C.vulgarisCNW11和Scenedesmus obliquusFSP進行絮凝采收，采收率達到80%以上。

自絮凝藻種與非絮凝藻種共同培養(yǎng)不需要額外的營養(yǎng)物質和培養(yǎng)系統(tǒng)。此外，自絮凝微藻也可以積累脂質，進一步向下游加工成生物柴油，且不涉及額外的操作和投資成本來處理沉積物（微藻生物量）〔39〕。整個絮凝過程無需添加任何化學物質，是一種無污染、可持續(xù)且經濟有效的采收方法。

與自絮凝微藻絮凝劑類似，近年來諸多研究者以低毒性且絮凝快速的天然植物基絮凝劑作為聚合物絮凝劑的替代品，將植物來源的生物聚合物絮凝劑用于廢水處理，收獲微藻生物量〔41〕。但與自絮凝微藻絮凝劑相比，天然植物基絮凝劑的絮凝效率中等，絮凝采收能力并未表現出明顯優(yōu)勢，又因涉及提取工藝問題，采收成本增加，故在此不再贅述。

2.3 細菌介導的微藻生物絮凝

藻、菌之間的關系主要有互利共生與競爭抑制兩類〔42〕，在自然條件下，微藻很難保持單一純藻或混藻狀態(tài)，而往往會與細菌形成藻-菌共生體。相比單藻培養(yǎng)和細菌培養(yǎng)，藻-菌共生培養(yǎng)方式對環(huán)境變化有高度適應性〔8〕，且在利用藻類處理污水的技術中，藻-菌共生系統(tǒng)具有更強的凈化優(yōu)勢〔43〕。在藻-菌共生水處理體系中，微藻的絮凝過程是藻-藻、藻-菌、菌-菌與污水中物質等共同作用的結果〔30〕。Chun WAN〔35〕等從活性污泥中分離出一株生物絮凝劑產生菌Solibacillus silvestris，培養(yǎng)48 h后，產生的生物絮凝劑對具有良好產脂潛力的海洋微藻Nannochloropsis oceanicaDUT01的最高絮凝率可達90%。該生物絮凝劑對Nanno?chloropsis oceanicaDUT01藻細胞的生長無不良影響，因此可重復使用以降低采收成本。

事實上，藻-菌共生系統(tǒng)中細菌對藻類絮凝的影響是復雜的，細菌的多種代謝分泌物均可促進微藻細胞的絮凝。A.RAY等〔44〕研究發(fā)現，細菌產生的γ-谷氨酸可以產生聚γ-谷氨酸，而聚γ-谷氨酸被證明是一種有效的生物絮凝劑。當細菌胞外分泌物用作生物絮凝劑時，絮凝效率比化學絮凝劑（如聚丙烯酰胺和硫酸鋁）高得多，收獲率達到70%以上。Paenibacillussp.AM49在pH為11的條件下對Chlorella vulgaris的絮凝率達到86%。細菌培養(yǎng)物的上清液用作絮凝劑時，在適宜的pH和溫度條件下，微藻細胞能在5 min內快速沉淀，絮凝率為83.67%。Jimin LEE等〔5〕對Chlorella vulgaris進行培養(yǎng)，發(fā)現無菌培養(yǎng)物獲得2%的絮凝活性，細菌培養(yǎng)物則獲得94%的絮凝活性。進一步研究證明，細菌通過胞外代謝物增加絮凝物的大小使微藻沉淀，絮凝物的尺寸比其實際性質更能影響微藻絮體的沉降特性。

細菌分泌產生的EPS在活性污泥表面和絮體內普遍存在，可通過吸附作用將懸濁液中的微藻富集起來，形成的聚生體在抵御對細胞有毒有害的物質時表現良好。除了能分泌EPS，微藻還能分泌可溶于水的前體物質，形成一種透明的胞外顆粒物（TEP）〔45〕。TEP類似于EPS，但在尺寸和結構上更大〔46〕。研究表明，異養(yǎng)細菌與微藻的相互作用可能影響TEP的形成和微藻聚集，增加聚集體的形成和顆粒的下沉〔47〕，對污水環(huán)境中的生物絮凝和收獲有很大的潛在影響〔48〕。

?；呓z氨酸內酯（AHLs）是革蘭氏陰性菌產生的一種通訊信號，是細菌群體感應反應的介體〔49〕。研究發(fā)現，藻類能夠感知并響應AHLs信號，細菌可利用AHLs影響微藻的基因表達，誘導微藻的自絮凝。Dandan ZHOU等〔50〕研究表明Chlorophytasp.通過分泌芳香蛋白對AHLs作出響應，促進該藻的自絮凝。沒有AHLs存在下藻細胞基本處于自由懸浮狀態(tài)，而AHLs存在時微藻的絮凝沉降效率高達41%。

污水處理中的藻-菌共生系統(tǒng)利用的是藻類和細菌之間的共生關系〔51〕。混合藻類的光合作用與細菌群落的呼吸作用之間存在有機、無機養(yǎng)分的交換，使得微藻生物量激增〔52〕，可沉降絮凝物的形成與微藻相關細菌及其胞外代謝物之間存在直接的相關性。在對微藻絮凝采收并加以利用的整體工藝過程中，細菌作為一個整體可能比單獨的細菌胞外代謝物發(fā)揮更深遠的作用〔5〕。微藻收獲與油脂提取相結合是能量密集型工藝，約占工藝過程總能量的90%〔53〕。藻類細胞壁堅硬而厚，由復雜的碳水化合物和糖蛋白組成，因而需要額外的預處理步驟破壞微藻細胞壁，以大量回收脂質〔48〕。寄生于藻類細胞壁或其相關鞘中的細菌可促進微藻細胞壁降解〔54〕，從而大大降低操作能量。此外，細菌的倍增時間短、絮凝效率高，基于細菌的絮凝不受化學污染。但該過程會導致微生物污染，可能影響用于食品生產的微藻生物量的質量，因而以細菌為介導的微藻生物絮凝更適于生物燃料的生產〔26〕，該方法的物種特異性和環(huán)境安全性限制了其在工程中的規(guī)?；瘧谩?4〕。

2.4 真菌介導的微藻生物絮凝

不同于細菌通過細胞黏附或胞外分泌物誘導微藻絮凝，絲狀真菌作為一類有代表性的生物絮凝劑，能夠自行造粒，對微藻的捕獲效率高〔55〕。真菌的自制?？赏ㄟ^凝固機制和非凝固機制解釋。在曲霉屬代表中觀察到的凝固機理涉及孢子凝結導致聚集體顆粒的形成，最終使真菌形成密集的球形聚集體〔56〕。非凝固機制則是孢子萌發(fā)成菌絲，進而交織成小球。

Hui WANG等〔57〕在激光掃描共聚焦顯微鏡下對其培養(yǎng)的藻菌群落進行觀察，發(fā)現絲狀真菌穿插在微藻細胞之間，與藻類細胞緊密結合。Wenguang ZHOU等〔58〕將絲狀真菌球粒形成菌與微藻在連續(xù)攪拌下共培養(yǎng)，形成體積遠大于藻類的真菌-藻類顆粒，通過簡單的過濾即可收獲。研究發(fā)現，真菌制粒對藻類脂質水平及廢水處理效率起到添加劑和協(xié)同作用〔55〕。此外，一些真菌的脂質含量超過真菌總生物量的30%〔59〕，使得高油真菌成為良好的生物柴油原料，其可與含油微藻一起直接轉化為生物燃料，獲得更高的經濟效益。

Jiao JIANG等〔60〕首次利用細菌和絲狀真菌共同收獲污水中的小球藻。與細菌-微藻共生體相比，細菌-真菌-小球藻共生系統(tǒng)中形成了更緊密的絮體。細菌通過黏附與微藻糾纏形成細菌-小球藻絮體，絲狀真菌則通過橋接形成菌絲網捕獲細菌-小球藻絮體〔61〕，形成更穩(wěn)定的絮狀物。研究發(fā)現，添加的細菌和真菌對產油微藻的含油量和品質并無負面影響。

生物絮凝，尤其是微藻輔助絮凝，是對其他需商業(yè)化的收獲方法的創(chuàng)新性改進。采用這種方法可使微藻細胞不受損傷而保持完整性，相關投資成本可忽略不計。在工業(yè)規(guī)模上，培養(yǎng)基可以重復使用，減少了營養(yǎng)物質的投加成本和對水的需求〔29〕。

3 結論與展望

（1）在各項采收技術中，傳統(tǒng)絮凝采收方式的技術手段相對成熟，但普遍存在高能低效或二次污染問題，生物絮凝則有良好的發(fā)展?jié)摿Α?/p>

（2）通過基因改造開發(fā)新的高脂絮凝菌株是未來獲取微藻生產生物燃料的有效途徑。利用基因轉移對優(yōu)質藻類菌株進行工程改造以引發(fā)絮凝，或將成為未來商業(yè)化收獲微藻細胞最有前途的方法之一。

（3）對藻-菌系統(tǒng)中藻菌共生關系的深入研究，是人為調控和誘發(fā)微藻絮凝，獲取更清潔綠色生物燃料的關鍵所在。結合基因工程技術，以收獲生物質的最終用途作為首要考慮因素，制定合適的收獲策略，同時在釋放轉基因菌株前評估其對生態(tài)環(huán)境的威脅，遵守環(huán)境友好、節(jié)能高效的生態(tài)要求，將為微藻生物燃料技術的工業(yè)化生產與應用提供有力的技術支持及長遠的工藝保障。