菌-藻共生生物膜污水處理研究進(jìn)展

廖懷玉，孫麗，李濟(jì)斌，何頔

(廣東工業(yè)大學(xué) 環(huán)境生態(tài)工程研究院 廣州 510006；南海海洋科學(xué)與工程廣東省實(shí)驗(yàn)室(廣州)，廣州 511458)

隨著工業(yè)化的不斷推進(jìn)，人類生產(chǎn)生活產(chǎn)生的廢水日益增多。水體中富含氮磷等營養(yǎng)元素，其中，工業(yè)廢水中更含有難降解有機(jī)物、致病菌等有毒有害物質(zhì)，此類廢水若未經(jīng)有效治理而直接排放至天然水體，嚴(yán)重威脅生態(tài)環(huán)境及人類健康[1]。目前，污水處理技術(shù)以活性污泥法及其衍生工藝為主，這些傳統(tǒng)工藝雖然技術(shù)成熟、工藝穩(wěn)定，但存在運(yùn)行能耗高、泥水分離效果差、難降解有機(jī)物處理處置效果不佳、微生物對(duì)環(huán)境毒性以及鹽度等耐受力差等一系列問題。菌-藻共生污水處理技術(shù)的興起有助于緩解污水處理壓力，利用細(xì)菌與微藻協(xié)同作用機(jī)制、藻體強(qiáng)耐受能力及生物質(zhì)高效資源化，可同步實(shí)現(xiàn)水中污染物的有效去除與微藻生物量收獲，具有運(yùn)行成本低、能耗小、效率高等優(yōu)點(diǎn)[2]，能有效克服傳統(tǒng)污水處理工藝存在的弊端。因此，菌-藻共生污水處理技術(shù)引起了學(xué)者們的廣泛關(guān)注。

自20世紀(jì)50年代Oswald等第一次利用菌-藻協(xié)同凈化污水以來，以菌-藻共生為基礎(chǔ)的污水處理技術(shù)在水質(zhì)凈化機(jī)理、藻種篩選、反應(yīng)器設(shè)計(jì)、工藝條件控制及藻細(xì)胞加工利用等方面取得了積極的進(jìn)展。目前，菌-藻共生體系主要以懸浮、固定化以及菌-藻共生生物膜的形式存在。在懸浮態(tài)菌-藻系統(tǒng)中，因微藻自身尺寸小且密度接近于水，在水中多以懸浮態(tài)存在，易隨出水流出，造成藻細(xì)胞流失，影響污水處理效果[3]；固定化能夠有效克服懸浮態(tài)菌-藻存在的弊端，但因存在包埋基質(zhì)價(jià)格昂貴、無毒無害基質(zhì)難尋、操作繁瑣復(fù)雜等問題[4]，沒有得到廣泛應(yīng)用。為突破上述兩種菌-藻共生體的技術(shù)瓶頸，菌-藻共生生物膜系統(tǒng)應(yīng)運(yùn)而生，并得到廣泛發(fā)展。將惰性載體引入污水處理體系，利用菌-藻定向吸附特性，在載體表面形成結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的菌-藻共生生物膜，最終強(qiáng)化污水處理效果[5]。筆者以分析菌-藻共生生物膜污水處理技術(shù)的關(guān)鍵原理為出發(fā)點(diǎn)，綜述目前菌-藻共生生物膜污水處理的研究進(jìn)展，主要內(nèi)容包括：菌-藻共生生物膜的形成過程和污水凈化原理；菌-藻共生生物膜形成的主要影響因素；菌-藻共生生物膜應(yīng)用于污水處理的優(yōu)勢；菌-藻共生生物膜污水處理的應(yīng)用。并對(duì)菌-藻共生生物膜污水處理應(yīng)用過程中存在的問題進(jìn)行分析總結(jié)，從而對(duì)菌-藻共生生物膜污水處理未來的發(fā)展方向進(jìn)行展望。

1 菌-藻生物膜凈化污水優(yōu)勢

相較于傳統(tǒng)活性污泥法和懸浮菌-藻共生法污水處理技術(shù)，菌-藻生物膜體系具有獨(dú)特優(yōu)勢，主要包括：系統(tǒng)抗沖擊負(fù)荷能力強(qiáng)，污染物去除效果好，節(jié)能降耗。

1.1 系統(tǒng)抗沖擊負(fù)荷能力強(qiáng)

細(xì)菌分泌的胞外聚合物(Extracellular polymeric substance，EPS)能促進(jìn)微藻與細(xì)菌在載體表面附著，并為菌-藻共生體提供一層保護(hù)屏障，抵抗極端環(huán)境(如干燥、極端的pH值和溫度)及緩沖有毒物質(zhì)侵害[6-7]，同時(shí)，增強(qiáng)生物膜結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。此外，菌-藻生物膜系統(tǒng)微生物群落結(jié)構(gòu)豐富[8-9]，可同時(shí)存在自養(yǎng)和異養(yǎng)微生物，有利于維持菌-藻生物膜的生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定。自養(yǎng)微生物主要包括光能自養(yǎng)菌(如藍(lán)細(xì)菌、綠彎菌等)、化能自養(yǎng)菌(如硝化細(xì)菌等)、藻類(硅藻、綠藻等)；異養(yǎng)微生物主要包括異養(yǎng)細(xì)菌、真菌及原生動(dòng)物[10-11]。自養(yǎng)和異養(yǎng)微生物間能基于代謝產(chǎn)物交換形成互利共生關(guān)系，更好地適應(yīng)寡營養(yǎng)環(huán)境。Wen等將微藻分泌的胞外有機(jī)物(Extracellular organic matter，EOM)作為WGX-9的碳源，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，在C/N為5的環(huán)境下，仍具有較好的脫氮效果。

1.2 污染物去除效果好

菌-藻間通過代謝產(chǎn)物交換維持良好的互利共生關(guān)系，使菌-藻生物膜保持較高的生長代謝活性，同時(shí)，微藻對(duì)氮磷無機(jī)鹽具有高效的同化作用，有利于實(shí)現(xiàn)同步脫氮除磷。Tang等[12]在研究菌-藻生物膜SBR系統(tǒng)與對(duì)照組不含藻類的SBR系統(tǒng)時(shí)發(fā)現(xiàn)，實(shí)驗(yàn)組菌-藻生物活性較對(duì)照組有所提升；此外，對(duì)照組TN、TP的去除效果分別為47.11%±4.79%、31.86%±2.25%，而試驗(yàn)組TN、TP的去除效果分別為65.8%±6.86%、89.3%±4.49%，證實(shí)菌-藻生物膜體系具有更優(yōu)異的營養(yǎng)鹽去除效果。

1.3 節(jié)能降耗

一方面，微藻光合作用產(chǎn)氧可降低系統(tǒng)曝氣強(qiáng)度，節(jié)約能耗。Babu等[13]研究發(fā)現(xiàn)，菌-藻生物膜在光照強(qiáng)度為85～95 μE/(m2·s)時(shí)，其溶解氧(Dissolved oxygen，DO)濃度可達(dá)3.2～4.1 mg/L，硝化速率1.1～1.6 g N/(m2·d)；Yang等[14]研究發(fā)現(xiàn)，在沒有額外曝氣且持續(xù)光照的條件下，菌-藻生物膜反應(yīng)器對(duì)模擬生活廢水中的COD和氨氮去除效果均可達(dá)90%以上。另一方面，附著生長體系回收生物質(zhì)時(shí)需輸入的能量更低。由于微藻細(xì)胞自身的特性，藻水分離難，不僅影響出水水質(zhì)，還會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)難以維持高濃度生物量[3]。在菌-藻生物膜系統(tǒng)中，微生物通過自身的粘附性相互聚集并附著生長在載體表面，且從載體表面刮取的生物質(zhì)含水率較低[15]，降低了后續(xù)生物質(zhì)回收時(shí)的能量輸入。

2 菌-藻共生生物膜形成過程及凈水原理

2.1 菌-藻共生生物膜形成過程

菌-藻共生生物膜的形成過程可分為3個(gè)步驟，即遷移運(yùn)輸、附著及生長過程[3-4,16](具體如圖1所示)。1)遷移運(yùn)輸過程：菌-藻生物膜形成初期，懸浮細(xì)菌和微藻在定向吸附、重力作用、水力動(dòng)力以及藻類趨光性等共同作用下，向固體介質(zhì)表面運(yùn)輸、移動(dòng)。2)附著過程：遷移至載體表面的微藻、細(xì)菌細(xì)胞與載體發(fā)生相互作用，依次進(jìn)行可逆附著和不可逆附著。其中，可逆附著主要包括微生物利用鞭毛、纖毛等外部細(xì)胞器以及外層膜蛋白在載體表面發(fā)生物理性附著，由于該過程的粘附性較弱，易受外力的影響，發(fā)生脫落；不可逆附著是指初步附著的藻體和細(xì)菌通過分泌EPS，使其緊密粘附在載體表面，形成初級(jí)生物膜，不易受外界環(huán)境影響而脫落。3)生長過程：根據(jù)微生物的群落結(jié)構(gòu)特征將生物膜生長過程分為細(xì)菌增殖階段、微藻增殖階段以及成熟階段。細(xì)菌生長繁殖速度高于微藻，故生物膜生長初期優(yōu)勢種群以細(xì)菌為主，在細(xì)菌增殖階段，細(xì)菌快速生長的同時(shí)分泌大量EPS；在微藻增殖階段，綠藻、絲狀藻以及其他藻類附著在EPS表面，同時(shí)，利用周圍環(huán)境的營養(yǎng)物質(zhì)增殖；在成熟階段，生物膜中藻類和細(xì)菌的比例達(dá)到相對(duì)穩(wěn)定狀態(tài)，并形成良好的互利共生關(guān)系。最終，附著在載體表面的細(xì)菌和藻類形成一個(gè)成熟穩(wěn)定、由EPS膠連，且具有三維結(jié)構(gòu)的網(wǎng)狀菌-藻共生體。

圖1 菌-藻共生生物膜形成過程示意圖Fig.1 Schematic diagram of the bacterial-algal symbiotic

2.2 菌-藻群落結(jié)構(gòu)及相互作用關(guān)系

成熟的菌-藻生物膜具有豐富的微生物群落結(jié)構(gòu)，其中，細(xì)菌多以α變形菌、β變形菌、γ變形菌以及鞘脂桿菌為主[17-18]，藻類多以絲狀綠藻、綠球藻為主[17]。其來源主要包括自然生長、原始接種液投加及后期物種進(jìn)化演替。與自然生長相比，針對(duì)不同廢水及工程所需，選擇特定的微藻及細(xì)菌投加到系統(tǒng)中能夠強(qiáng)化污染物去除效果。如無色桿菌(Achromobacteria)、產(chǎn)堿菌(Alcaligenes)、芽孢桿菌(Bacillus)、噬氫菌(Hydrogenophaga)和假單胞菌(Pseudomonas)可以進(jìn)行異養(yǎng)硝化和好氧反硝化，脫氮效率高[19]。一些聚磷菌如假單胞桿菌(Pseudomonas)和Accumulibacter能超量吸磷并將其轉(zhuǎn)化為胞內(nèi)聚合磷化合物[20]。人工接種可強(qiáng)化所選物種的豐度，提高微生物生長速率，從而實(shí)現(xiàn)快速高效的污染物去除效果。當(dāng)原始微生物形成初級(jí)生物膜后，生物膜中物種發(fā)生演替，這種演替主要受環(huán)境因素影響，進(jìn)而影響菌-藻間相互作用關(guān)系，主要包括協(xié)作共生及競爭關(guān)系。微藻與細(xì)菌的生物協(xié)同作用在微生物代謝和生長、污染物去除能力和生態(tài)功能中起著至關(guān)重要的作用。細(xì)菌及藻類間不僅發(fā)生CO2和O2的交換，同時(shí)，彼此釋放促生長因子及微量元素，促進(jìn)對(duì)方生長發(fā)育，增強(qiáng)菌-藻共生體生物活性，Roeselers等[21]研究發(fā)現(xiàn)，Betaproteobacteria釋放的一種微量物質(zhì)能夠促進(jìn)Microcoleusvaginatus的生長及粘附作用；同樣，Park等[22]研究發(fā)現(xiàn)，將Brevundimonassp.添加至Chlorellaellipsoidea中能夠延長其對(duì)數(shù)增長時(shí)間，生物量增加50倍。菌-藻間競爭關(guān)系多出現(xiàn)于營養(yǎng)物質(zhì)匱乏以及特定菌-藻間的敵對(duì)作用，相關(guān)研究發(fā)現(xiàn)，有些微藻的代謝物具有殺菌作用，如小球藻素對(duì)革蘭氏陽性菌和革蘭氏陰性菌具有殺菌作用[23]，而一些藻類產(chǎn)生的代謝物能夠抑制細(xì)菌的群體感應(yīng)，不易于生物膜形成[24]。同樣，一些細(xì)菌也會(huì)分泌鏈霉素等有毒活性物質(zhì)，影響藻類光合作用相關(guān)基因轉(zhuǎn)錄，阻礙微藻電子傳遞，進(jìn)而抑制藻類生長繁殖[25]?？偟膩碚f，微藻-細(xì)菌之間的協(xié)作共生或競爭作用是調(diào)節(jié)菌群結(jié)構(gòu)和對(duì)外界條件的響應(yīng)機(jī)制，進(jìn)而影響菌-藻共生生物膜的形成及水質(zhì)處理效果。

細(xì)菌間、菌-藻間存在著復(fù)雜的相互作用關(guān)系，而物種的選擇是建立一個(gè)菌-藻穩(wěn)定共生、污染物高效去除的菌-藻共生生物膜體系至關(guān)重要的環(huán)節(jié)。然而，目前所研究的附著菌群大多是通過自然培養(yǎng)形成，這可能會(huì)在系統(tǒng)效能方面達(dá)不到預(yù)期效果。隨著遺傳學(xué)和代謝組學(xué)的迅猛發(fā)展，菌種的基因改良為實(shí)現(xiàn)特定難降解有機(jī)污染物的高效去除提供了可能，通過針對(duì)性的基因改良，新物種的添加強(qiáng)化了某種生物功能，改善了菌種間相互作用關(guān)系，但新物種的添加在提高污染物去除效果的同時(shí)，對(duì)生態(tài)安全具有潛在風(fēng)險(xiǎn)[26]。因此，從生態(tài)工程角度出發(fā)，應(yīng)優(yōu)先選擇和改進(jìn)生物膜中土著微生物物種，以形成穩(wěn)定的群落結(jié)構(gòu)。所以，合理利用現(xiàn)代基因工程和生態(tài)工程手段對(duì)菌-藻生物膜進(jìn)行生物強(qiáng)化具有一定的實(shí)際意義。

2.3 菌-藻共生生物膜凈化污水原理

2.3.1 碳的去除 菌-藻生物膜中含碳污染物的去除主要通過異養(yǎng)細(xì)菌、兼養(yǎng)藻類的氧化分解作用以及自養(yǎng)藻類的光合作用。異養(yǎng)細(xì)菌以有機(jī)碳源污染物為電子供體，O2為電子受體，通過礦化作用將含碳有機(jī)物氧化分解為CO2，其中一部分CO2逸散至環(huán)境中，另一部分被藻細(xì)胞吸收利用，吸收進(jìn)藻細(xì)胞的CO2在核酮糖二磷酸羧化酶(Rubisco)的作用下，經(jīng)過暗反應(yīng)的卡爾文循環(huán)轉(zhuǎn)化為葡萄糖等有機(jī)物固定在微藻細(xì)胞內(nèi)；同時(shí)，微藻光合作用產(chǎn)生的O2為異養(yǎng)細(xì)菌提供了充足的電子受體，強(qiáng)化了細(xì)菌對(duì)含碳有機(jī)物的氧化分解過程。當(dāng)水環(huán)境偏堿性時(shí)，水體中的無機(jī)碳主要以HCO3-的形式存在，微藻可利用胞外碳酸酐酶將HCO3-通過主動(dòng)運(yùn)輸吸收至細(xì)胞內(nèi)，轉(zhuǎn)化為CO2，再進(jìn)行利用，從而實(shí)現(xiàn)污水中無機(jī)碳的去除[27]。此外，生物膜中兼性營養(yǎng)型的微藻可以CO2及有機(jī)碳為碳源，同時(shí)進(jìn)行光合作用和呼吸作用，完成污水中含碳物質(zhì)的去除[28]。

2.3.2 氮、磷的去除 菌-藻共生生物膜去除含氮磷元素污染物主要包括生物及化學(xué)兩種途徑：其中，生物途徑主要為細(xì)菌及微藻的同化、異化作用，化學(xué)途徑則是共生環(huán)境中pH值的變化引起相應(yīng)的氮磷去除。當(dāng)含氮有機(jī)化合物進(jìn)入水體后，生物膜好氧區(qū)域中的細(xì)菌利用藻類光合作用釋放的O2，經(jīng)過氨化反應(yīng)、硝化反應(yīng)等將有機(jī)氮化合物分解轉(zhuǎn)化為硝酸鹽氮等無機(jī)氮化合物，生成的硝酸鹽氮在生物膜的厭氧區(qū)域內(nèi)經(jīng)反硝化作用，還原成氣態(tài)氮，完成細(xì)菌生物脫氮的過程;同時(shí)，經(jīng)細(xì)菌氧化分解產(chǎn)生的無機(jī)氮化合物通過同化作用吸收轉(zhuǎn)化為細(xì)菌(主要吸收氨氮)及微藻胞內(nèi)物質(zhì)，實(shí)現(xiàn)自身生長發(fā)育[8]。值得注意的是，微藻對(duì)無機(jī)氮磷的吸收具有一定順序，當(dāng)NH4—N、NO3—N和NO2—N在水體中共存時(shí)，微藻優(yōu)先吸收NH4—N，并入碳骨架合成胞內(nèi)物質(zhì)，當(dāng)NH4—N被消耗盡時(shí)，NO3—N和NO2—N作為N源被微藻吸收利用，并在硝酸鹽還原酶以及亞硝酸鹽還原酶的作用下轉(zhuǎn)化為NH4—N，再被微藻同化為胞內(nèi)物質(zhì)[4, 28]。針對(duì)菌-藻生物膜生物除磷途徑，其主要為聚磷菌及微藻的過量吸磷作用，Schmidt等[29]曾報(bào)道，小球藻(Chlorellavulgaris)和萊茵衣藻(Chlamydomonasreinhardtii)具有超級(jí)吸磷作用，其吸磷能力強(qiáng)于同質(zhì)量下的聚磷菌?；瘜W(xué)脫氮除磷主要是由于藻類光合作用消耗了水中大量酸性CO2，使得水體pH值升高，呈堿性狀態(tài)，氮元素則在堿性條件下部分以NH3形態(tài)溢出水體得以去除[30]，磷在堿性條件下易與共存的鈣鎂離子形成難溶性磷酸鹽沉淀，實(shí)現(xiàn)去除;此外，有研究者在研究菌-藻生物膜EPS時(shí)發(fā)現(xiàn)，菌-藻生物膜中的EPS含有蛋白質(zhì)和多聚糖等成分，具有豐富的含氧官能團(tuán)，能夠與有機(jī)磷發(fā)生配位作用，使有機(jī)磷與菌-藻生物膜表面的EPS結(jié)合，通過吸附作用去除[31]。菌-藻共生生物膜去除污水中的C、N、P污染物原理如圖2所示。

圖2 菌-藻共生生物膜去除C、N、P示意圖Fig.2 Schematic of the pollutant removal mechanism

2.3.3 重金屬的去除 菌-藻生物膜對(duì)重金屬的去除原理主要包括吸附作用、生物富集以及由水體pH值變化引起的沉淀作用[5]。菌-藻生物膜對(duì)重金屬的吸附作用主要包括靜電吸附和絡(luò)合作用。其分泌的EPS中含有含氧官能團(tuán)，如羥基、羧基、氨基和膦?；哂袃煞矫娴淖饔?，即：使EPS表面帶負(fù)電，通過靜電作用力吸附重金屬離子；提供有效結(jié)合位點(diǎn)，使重金屬與氧、氮、磷等原子通過配位作用生成配位鍵，形成絡(luò)合物[32]。除EPS的吸附作用，菌-藻生物膜還可通過細(xì)胞生物膜和細(xì)胞壁的吸附作用去除重金屬，這是由于微藻和細(xì)菌的細(xì)胞壁或細(xì)胞膜成分中包含蛋白質(zhì)、多聚糖等成分，其表面的配位基團(tuán)包含的陰離子基團(tuán)和酸性官能團(tuán)，如氨基、羧基、羥基以及硫化物等，具有與EPS類似的吸附作用，通過靜電吸附和絡(luò)合作用將重金屬離子吸附至微生物細(xì)胞表面。發(fā)生在活細(xì)胞體內(nèi)的生物富集作用也是重金屬去除的途徑之一，微生物通過主動(dòng)運(yùn)輸和胞吞作用使重金屬進(jìn)入細(xì)胞質(zhì)并與細(xì)胞器相結(jié)合，使重金屬在細(xì)菌和微藻體內(nèi)發(fā)生生物富集[5,33]。除此之外，由于微藻光合作用引起水體環(huán)境pH值升高，可使重金屬在堿性環(huán)境下通過沉淀作用去除。

3 菌-藻共生生物膜形成的影響因素

菌-藻共生生物膜的生長狀況、附著狀態(tài)均能影響污水處理效果。菌-藻生物膜同細(xì)菌類生物膜類似，當(dāng)其生長到一定階段時(shí)，將發(fā)生脫落，引起菌-藻生物膜脫落的原因主要包括：水體中的底物被逐漸消耗，使得微生物生長進(jìn)入穩(wěn)定期和衰老期；由于環(huán)境擾動(dòng)，水體剪切力大于菌-藻生物膜與固體介質(zhì)之間的吸附力，使生物膜發(fā)生機(jī)械性脫落；隨著生物膜厚度增加，內(nèi)層微生物的傳質(zhì)阻力增加，以及光能利用降低，使得內(nèi)層細(xì)菌活性和微藻的光合作用效率下降，導(dǎo)致生物膜粘附性減弱而發(fā)生脫落。因此，通過認(rèn)識(shí)菌-藻生物膜形成的影響因素，設(shè)置合理的工藝參數(shù)，對(duì)提升生物膜穩(wěn)定性、防止或降低脫落頻次，對(duì)保證工藝高效穩(wěn)定運(yùn)行具有重要意義。影響菌-藻生物膜形成的因素主要包括環(huán)境因素、生物因素、載體類型等。

3.1 環(huán)境因素

光照、CO2濃度、溫度、水質(zhì)特征及水流速度等環(huán)境因素均會(huì)影響菌-藻生物膜污水處理效果。光照是藻類生長過程中關(guān)鍵性限制因素之一，主要通過光照強(qiáng)度及周期影響藻類生長。在一定的光照強(qiáng)度范圍內(nèi)，微藻的光合作用速率隨著光照強(qiáng)度遞增而增加，當(dāng)達(dá)到光飽和點(diǎn)時(shí)，增加的光照強(qiáng)度會(huì)抑制藻細(xì)胞內(nèi)色素吸收光和光能轉(zhuǎn)化的效率，從而影響微藻自身的合成代謝，減緩菌-藻生物膜的形成[34-36]。光照強(qiáng)度對(duì)菌-藻共生生物膜的微生物群落結(jié)構(gòu)具有一定的影響。由于生物膜具有一定厚度，光照強(qiáng)度從生物膜表層至內(nèi)層呈指數(shù)衰減，導(dǎo)致微藻光合作用活性隨生物膜厚度降低，從而引起氧濃度在生物膜上呈梯度分布[37]，因此，生物膜上分布著不同氧含量需求的菌種。此外，光照強(qiáng)度對(duì)細(xì)菌活性也有一定影響。大量研究表明，強(qiáng)光輻射的環(huán)境條件下，氨氧化菌和亞硝酸鹽氧化菌的活性都將受到一定程度的抑制。Meng等[38]研究表明，當(dāng)光照強(qiáng)度高于8 000 lx時(shí)，菌-藻共生體系中亞硝酸鹽氧化菌活性受抑制，造成水體中亞硝酸鹽的累積；Hooper等[39]研究發(fā)現(xiàn)，強(qiáng)光主要通過誘導(dǎo)高氧化活性物質(zhì)的形成，損壞細(xì)菌細(xì)胞結(jié)構(gòu)，并通過抑制氨單加氧酶和細(xì)胞色素-C(一種與電子傳遞鏈有關(guān)的蛋白)的活性來降低氨氧化細(xì)菌和硝化細(xì)菌的活性。除光照強(qiáng)度外，光照周期對(duì)藻類細(xì)胞生長繁殖也具有重要作用，微藻光合作用主要包括光反應(yīng)和暗反應(yīng)兩個(gè)階段，其中，光反應(yīng)階段在光照、光合色素以及酶的作用下將光能轉(zhuǎn)化為化學(xué)能儲(chǔ)存在細(xì)胞內(nèi)；暗反應(yīng)階段則利用光反應(yīng)產(chǎn)生的化學(xué)能以及酶的作用將CO2還原為糖類，轉(zhuǎn)化為胞內(nèi)物質(zhì)，所以，適宜的光暗交替有利于光、暗反應(yīng)相結(jié)合，是菌-藻共生生物膜微藻細(xì)胞增殖及代謝正常運(yùn)行的重要保障[40]。

CO2是藻類生長過程中的另一限制性因素。Blanken等[41]研究表明，當(dāng)水體中通入的CO2含量由0.63%增加到1.25%時(shí)，微藻生物量顯著提高，隨后，當(dāng)CO2含量由4%增加至10%時(shí)，微藻生長并沒有明顯變化，可見，微藻對(duì)CO2的吸收利用存在飽和點(diǎn)，濃度過高或過低均不利于生物膜中微藻的生長繁殖。此外，CO2供氣方式對(duì)生物膜穩(wěn)定性具有一定影響，研究表明，半浸沒式載體(即部分裸露于空氣中)可直接吸收空氣中的CO2，氣體傳遞至生物膜表面只需穿過一層較薄的液膜，因此，傳質(zhì)阻力小、傳輸效率高；而浸沒式培養(yǎng)體系通常采取在系統(tǒng)底部曝氣的方式提供CO2，該方式傳質(zhì)阻力較大、傳質(zhì)效率較低，同時(shí)，曝氣形成的上升氣流對(duì)生物膜表面具有剪切擾動(dòng)作用，不利于微生物附著，降低了生物膜的穩(wěn)定性，因此，需設(shè)置合理的CO2供氣方式及強(qiáng)度[42]。

污水水質(zhì)，如水體透明度、C/N、DO等均對(duì)菌-藻生物膜活性和群落結(jié)構(gòu)會(huì)產(chǎn)生重要影響。在菌-藻共生體系中，水體透光度對(duì)藻類光合作用影響非常大，水體透光度與水中懸浮顆粒含量及色度有關(guān)，其中，懸浮顆粒對(duì)光具有很強(qiáng)的散射作用，而水體色度影響光的透射距離，進(jìn)而影響藻類對(duì)光的吸收利用[46]。水體透光性還受污泥/藻含量比值影響，Sun等[47]研究了泥/藻比對(duì)藻類生長的影響，發(fā)現(xiàn)隨著污泥含量增加，水體顏色由綠色轉(zhuǎn)為黃褐色，遮光效應(yīng)增強(qiáng)，抑制了微藻光合作用活性和增殖速率。除水體透明度外，C/N、DO也通過影響共生菌的生長繁殖進(jìn)而影響菌-藻共生生物膜的形成，研究者們發(fā)現(xiàn)，高C/N比能夠促進(jìn)異養(yǎng)細(xì)菌大量繁殖，自養(yǎng)菌種群密度和活性逐漸下降[10, 48]。生物膜中DO梯度影響氨氧化、硝化和反硝化有關(guān)的細(xì)菌的分布情況[49]，進(jìn)而間接影響自養(yǎng)異養(yǎng)菌的空間分布，而藻類在DO含量較高的條件下光呼吸作用增強(qiáng)，導(dǎo)致內(nèi)源物質(zhì)消耗而光合作用受抑制[50]，所以，有效控制C/N和DO濃度是維持菌-藻平衡的一個(gè)重要因素。

水體流速是菌-藻共生生物膜的形成、掛膜以及穩(wěn)定性的重要影響因素。水體流速對(duì)菌-藻生物膜形成的影響主要表現(xiàn)為：一方面，流速增加促進(jìn)底物傳質(zhì)，有利于生物膜中底層微生物吸收營養(yǎng)物質(zhì)，提高生長繁殖速率；另一方面，老化的生物膜可以在水體剪切力的作用下發(fā)生脫落，實(shí)現(xiàn)菌-藻生物膜更新，從而增強(qiáng)生物膜中微生物活性[8]。然而，水體湍動(dòng)程度過大將產(chǎn)生較大的剪切力，不利于生物膜在載體表面附著，抑制菌-藻生物膜的形成及穩(wěn)定，過小則易形成較厚的生物膜，增加了敝光效應(yīng)和傳質(zhì)阻力，不利于內(nèi)層生物膜對(duì)光能的利用以及生物膜與液相主體之間的底物、代謝產(chǎn)物以及氣體交換。因此，水體流速需同時(shí)滿足生物膜附著生長的穩(wěn)定性及底物傳質(zhì)的低阻力，并根據(jù)生物膜形成的不同時(shí)期設(shè)定。在生物膜形成初期，較低的流速可以促進(jìn)微生物附著而有利于生物膜的形成，而在后續(xù)階段，應(yīng)適當(dāng)增加流速，以促進(jìn)底物、氣體傳質(zhì)和生物膜自動(dòng)更新。

3.2 生物因素

菌-藻共生生物膜的形成過程中，其所釋放的EPS起關(guān)鍵作用。在生物膜生長繁殖階段，EPS具有聚集、連接菌-藻細(xì)胞以及作為暫存和傳遞營養(yǎng)物質(zhì)媒介的作用，構(gòu)成了菌-藻共生生物膜的骨架[37]。EPS是由蛋白質(zhì)、多糖、磷脂和核酸等組成的高分子聚合物，根據(jù)其與細(xì)胞結(jié)合的緊密程度，又分為溶解態(tài)EPS(Soluble EPS, S-EPS)和結(jié)合態(tài)EPS(Bound EPS, B-EPS)。EPS官能團(tuán)同時(shí)包含多個(gè)親水/疏水、正電/負(fù)電結(jié)合位點(diǎn)，故在菌-藻共生生物膜形成過程中，EPS會(huì)對(duì)細(xì)胞表面理化性質(zhì)(如帶電性、親疏水性、粗糙度等)產(chǎn)生重要影響[51-55]。Li等[56]研究發(fā)現(xiàn)，生物膜生長速率與B-EPS的蛋白質(zhì)和多糖比值、親疏水性、含量及表面zeta電位密切相關(guān)。其中，EPS中帶正電的基團(tuán)，如-NH2，能增加細(xì)胞表面zeta電位，從而促進(jìn)生物膜的穩(wěn)定性。此外，生物膜的形成與EPS表面能正相關(guān)，而EPS表面能又與EPS表面親水性呈正相關(guān)，與疏水性呈負(fù)相關(guān)。而Chen等[57]還發(fā)現(xiàn)，EPS在載體表面呈非均勻分布，增加了載體表面粗糙度，為生物膜形成創(chuàng)造了有利條件。

另一方面，細(xì)菌的生理活動(dòng)以及其與微藻的相互作用對(duì)菌-藻共生生物膜的形成也具有關(guān)鍵作用。細(xì)菌增殖速度高于微藻，細(xì)菌在快速增殖階段分泌大量的EPS，粘附在載體表面，形成細(xì)菌生物膜，隨著細(xì)菌豐度和多樣性的提高，微藻可利用的碳源和氮磷無機(jī)鹽增多，促使更多的微藻細(xì)胞附著在載體表面，形成菌-藻共生生物膜并促進(jìn)微藻生長[58]。Hodoki[59]研究證實(shí)，在培養(yǎng)藻類生物膜的過程中，引入一定量的細(xì)菌能顯著提高生物膜中葉綠素含量，并增強(qiáng)微藻細(xì)胞的附著性；Holmes[60]研究發(fā)現(xiàn)，與無菌的藻生物膜培養(yǎng)體系相比，添加細(xì)菌的培養(yǎng)體系里，生物膜中的葉綠素含量增加了1～2個(gè)數(shù)量級(jí)；Irving等[61]研究表明，與無菌培養(yǎng)液相比，在未殺菌的經(jīng)過二級(jí)處理的廢水中生長的藻類生物膜厚度增加了9倍。

3.3 載體類型

載體是細(xì)菌和微藻形成生物膜的關(guān)鍵性場所，其表面性質(zhì)對(duì)菌-藻生物膜的形成、代謝活性具有重要影響。按照材料性質(zhì)，通?？蓪⑤d體分為無機(jī)載體和有機(jī)載體。目前研究的無機(jī)載體包括陶瓷顆粒、玻璃、不銹鋼板、石灰石等。有機(jī)載體分為天然高分子載體和合成高分子載體，其中，天然有機(jī)高分子載體包括海藻酸鈣、瓊脂、棉、木質(zhì)載體等；合成高分子材料包括聚四氟乙烯(PVDF)、聚氯乙烯(PVC)、聚乙烯(PE)、聚丙烯(PP)、尼龍、紙、聚氨酯(PU)、聚苯乙烯(PS)、醋酸纖維(CA)、硝化纖維(CN)等。在選擇載體時(shí)，不僅需要綜合考慮載體的表面特性、來源、成本以及耐用性，還應(yīng)根據(jù)載體安裝方向?qū)ξ⑸锔街缘挠绊憗磉x擇不同的載體，如對(duì)于水平安裝的載體應(yīng)選擇表面相對(duì)光滑的材質(zhì)，諸如PVC、玻璃材料等，便于后續(xù)刮取生物質(zhì)進(jìn)行回收，而垂直安裝的載體應(yīng)選擇表面粗糙度較大的，如棉材質(zhì)載體，使微生物細(xì)胞能夠克服重力作用緊密地粘附在載體表面[62]。

微生物和載體表面最初的相互作用力為靜電作用力。細(xì)菌和微藻細(xì)胞表面通常帶負(fù)電，易于粘附在帶正電的載體表面，而在帶負(fù)電的載體上附著需要克服靜電斥力，所以，通常選取帶正電的載體作為菌-藻生物膜附著場所[16]。載體的親/疏水性也影響微生物附著效果。親水性載體表面容易吸附微生物粒子，但吸附作用較弱，為可逆吸附；疏水性載體表面吸附力較強(qiáng)，但吸附不可逆。適宜的載體應(yīng)既能滿足微生物生理活動(dòng)需求，又具有較強(qiáng)的吸附力，因此，選擇的載體應(yīng)達(dá)到一定親/疏水平衡值[63]。Gross等[64]、Sekar等[65]分別研究了微藻細(xì)胞在不同載體表面的附著性能，結(jié)果表明，微藻更容易在疏水性載體表面附著并形成初始生物層。除上述提及的載體表面性質(zhì)外，載體的生物毒性以及可生物降解性對(duì)菌-藻生物膜形成也具有一定影響，例如，銅板對(duì)微藻和細(xì)菌具有毒害作用，不適合作為菌-藻生物膜的載體，而紙材質(zhì)的載體雖然對(duì)微生物無毒害作用，但因其可被微生物降解，縮短了載體的使用壽命，同樣不適合長期作為菌-藻生物膜載體，所以，應(yīng)選擇對(duì)菌-藻細(xì)胞無毒害作用、使用壽命長且易于微生物附著的材質(zhì)作為載體，如棉質(zhì)、PVC、PE等材質(zhì)。

4 菌-藻生物膜在污水處理中的應(yīng)用

基于菌-藻生物膜污水處理體系的獨(dú)特優(yōu)勢，近年來，不同類型的菌-藻生物膜反應(yīng)器被開發(fā)用于廢水處理。由于菌-藻生物膜反應(yīng)器在供氣方式、載體類型等方面具有廣泛的選擇，因此，反應(yīng)器設(shè)計(jì)較靈活，文獻(xiàn)中報(bào)道了多種構(gòu)型的菌-藻生物膜反應(yīng)器，根據(jù)反應(yīng)體系是否直接與外界環(huán)境進(jìn)行物質(zhì)交換，可將反應(yīng)器分為開放式反應(yīng)器和封閉式反應(yīng)器，其中，開放式反應(yīng)器為開放容器，可直接與外界環(huán)境進(jìn)行CO2/O2等交換；封閉式反應(yīng)器為密閉容器，不能與外界環(huán)境進(jìn)行氣體交換。常見的開放式光生物反應(yīng)器構(gòu)型為水力藻類床(Algal Turf Scrubber，ATS)、菌-藻生物膜轉(zhuǎn)盤等，封閉式生物反應(yīng)器主要包括封閉管狀/平板狀菌-藻生物膜反應(yīng)器。筆者主要介紹菌-藻生物膜系統(tǒng)應(yīng)用于城鎮(zhèn)生活污水、工業(yè)廢水以及養(yǎng)殖廢水處理的研究進(jìn)展。

4.1 城鎮(zhèn)生活污水

城鎮(zhèn)生活污水是菌-藻生物膜污水處理技術(shù)研究最廣泛的廢水類型，20世紀(jì)80年代，Adey等[66]就利用ATS處理城市生活污水，并獲得了較好的氮磷去除效果。此后，關(guān)于菌-藻生物膜城鎮(zhèn)生活污水凈水體系的研究廣泛展開。Posadas等[67]對(duì)比了封閉管式生物膜反應(yīng)器和實(shí)驗(yàn)室規(guī)模的ATS體系對(duì)模擬生活污水的處理效果，發(fā)現(xiàn)開放式菌-藻生物膜反應(yīng)器對(duì)TN、TP的去除效果分別可達(dá)92%±5%和96%±2%，而封閉管式生物膜反應(yīng)器對(duì)TN、TP的去除率分別為80%±6%和68%±18%。應(yīng)用較廣泛的載體為二維平面構(gòu)型，此類載體結(jié)構(gòu)簡單且容易被菌-藻附著，但其比表面積較小，掛膜量較少，不適用于污染物濃度高的廢水處理。針對(duì)這一弊端，研究者選取了比表面積更大的三維填料作為載體，如唐聰聰[68]將具有多孔結(jié)構(gòu)的球形陶瓷填料(比表面積為90 m2/m3)和菌-藻共生體引入SBR中，構(gòu)建了序批式菌-藻共生泥膜反應(yīng)器(A-SBBR)，根據(jù)填料固定、不固定將反應(yīng)器分為I型A-SBBR和Ⅱ型A-SBBR，并應(yīng)用于模擬生活污水處理，研究結(jié)果表明，I型TN、TP去除效果分別為65.8%、89.3%；Ⅱ型TN、TP去除效果分別為69.91%、94.78%。據(jù)文獻(xiàn)報(bào)道，Zhang等[10]構(gòu)建了一種膜曝氣菌-藻生物膜反應(yīng)器，其改變了傳統(tǒng)菌-藻生物膜體系的供氣方式，利用透氣膜組件向反應(yīng)體系提供O2，成功地在膜片表面培養(yǎng)出菌-藻共生生物膜，其對(duì)TN、TP的去除率分別為80.56%、62.54%。

4.2 工業(yè)廢水

廢水中的有毒有害物質(zhì)對(duì)微生物生長繁殖以及生物活性具有強(qiáng)烈的抑制作用，極易影響廢水處理效果。相較于傳統(tǒng)生物處理技術(shù)，菌-藻共生生物膜工藝不僅可以有效去除多種污水中的氮磷等營養(yǎng)元素，同時(shí)，藻類具有較強(qiáng)的毒害物質(zhì)耐受性，對(duì)有毒污染物，如重金屬、石油烴類等也具有較好的處理效果，因此，也有學(xué)者利用菌-藻生物膜處理含毒性物質(zhì)廢水。

重金屬污染物是工業(yè)廢水中常見的難處理污染物，前人廣泛開展了微藻對(duì)As、Cd、Cr、Pb、Hg等重金屬廢水處理的研究(如表1所示)，證實(shí)微藻在耐受重金屬毒性并修復(fù)重金屬污染水體方面具有較大潛力，所以，結(jié)合菌-藻共生生物膜在污水處理中的優(yōu)勢，利用菌-藻生物膜法去除水體中的重金屬成為一項(xiàng)新興污水處理技術(shù)。菌-藻生物膜法處理重金屬污染廢水主要依靠吸附作用，大量研究表明，微生物分泌的EPS因含有豐富的含氧官能團(tuán)，易與金屬離子通過絡(luò)合作用進(jìn)行吸附。張道勇等[70]研究了絲藻(Ulothrixsp.)-細(xì)菌生物膜去除Cd，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，系統(tǒng)中Cd的去除效率與絲藻分泌的EPS相關(guān)性良好，此外還發(fā)現(xiàn)，絲藻所分泌的EPS為菌-藻共生體提供了一個(gè)緩沖Cd毒性的微環(huán)境，這使得菌-藻生物膜能在不利的環(huán)境中保持較高的活性并能持續(xù)有效地去除水體中的Cd。高敏等[71]也探究了菌-藻生物膜對(duì)重金屬Cd的去除效能，研究發(fā)現(xiàn)，Cd的去除效果受溫度、pH值以及離子強(qiáng)度影響較大，其中，Cd離子濃度變化范圍為2～10 mg/L時(shí)，去除率由97.8%增至98.42%，超過10 mg/L時(shí)，去除率下降。出現(xiàn)該結(jié)果的原因可能是低濃度Cd離子刺激了生物膜分泌EPS，增加了對(duì)Cd的吸附，高濃度Cd離子抑制了微生物的活性，降低了EPS的分泌，且存在競爭官能團(tuán)以及結(jié)合位點(diǎn)的現(xiàn)象，故抑制了Cd離子被菌-藻生物膜吸附。梁麗華[72]探究了光照氧化塘菌-藻共生生物膜系統(tǒng)去除煤礦區(qū)廢水中的Cr(Ⅵ)的潛力，研究結(jié)果表明，當(dāng)Cr(Ⅵ)低于3 mg/L時(shí)，去除率大于90%，經(jīng)過長時(shí)間的馴化，在Cr(Ⅵ)進(jìn)水濃度為20 mg/L的條件下，去除率可穩(wěn)定在88.2%，證實(shí)了菌-藻生物膜對(duì)Cr(Ⅵ)具有良好的去除效果。

表1 不同藻種類對(duì)重金屬的去除效果[69]Table 1 Algal species used in the heavy metal removal

含毒性物質(zhì)廢水中除含有重金屬外，還含有難降解有機(jī)污染物，有機(jī)污染物被微生物礦化降解需要消耗大量O2，傳統(tǒng)生物處理工藝需設(shè)置曝氣裝置供氧，不僅能耗高，更易造成有毒物質(zhì)如酚類污染物、有毒有機(jī)溶劑的揮發(fā)，產(chǎn)生二次污染，此外，難降解有機(jī)污染物易對(duì)微生物活性產(chǎn)生抑制效果，降低污水處理效能。近年來，一些學(xué)者發(fā)現(xiàn)，菌-藻生物膜對(duì)工業(yè)廢水中難降解有機(jī)物具有較大去除潛能，并且無須額外供氧，避免二次污染。微藻對(duì)細(xì)菌降解石油烴類污染物具有促進(jìn)作用，主要體現(xiàn)在微藻可分泌表面活性劑，以有效提高有機(jī)污染物的可生化性，同時(shí)，微藻細(xì)胞分泌的胞外物質(zhì)不僅促進(jìn)了石油烴共代謝，還能為共生菌提供營養(yǎng)物質(zhì)及較穩(wěn)定著生環(huán)境，增強(qiáng)石油烴降解效率[73]。Mukherji等[74]利用生物轉(zhuǎn)盤培養(yǎng)的菌-藻生物膜處理含石油烴廢水，研究發(fā)現(xiàn)，在高有機(jī)負(fù)荷條件下(總石油烴，23.9～47.8 g/m3/d)，油滴被吸附在生物膜表面且大部分烷烴被微生物礦化，當(dāng)HRT大于18 h時(shí)，石油烴的去除率大于97%。Chavan等[75]研究了苯酚對(duì)菌-藻生物膜轉(zhuǎn)盤修復(fù)石油污染水體的影響，結(jié)果表明，在HRT為21 h，有機(jī)污染物負(fù)荷為27.33 g/(m3·d)的條件下，當(dāng)進(jìn)水中苯酚含量由0.11 g/(m3·d)增加至0.69 g/(m3·d)時(shí)，石油烴去除率由99%降低至94%，證實(shí)苯酚對(duì)微生物活性有一定的抑制作用，但菌-藻生物膜對(duì)苯酚仍具有一定的耐受性，因此，污染物降解活性仍然較高，并對(duì)苯酚具有一定的去除效果(18.8%～38%)。Muoz等[76]探究了小球藻sorokiniana和菌種Ralstoniabasilensis構(gòu)建的菌-藻共生生物膜系統(tǒng)對(duì)水中的水楊酸(可抑制細(xì)菌活性的有機(jī)物)的去除效果，結(jié)果表明，在ATS反應(yīng)器中HRT為1.3 d條件下水楊酸去除率可達(dá)100%。

4.3 養(yǎng)殖廢水

5 結(jié)論與展望

菌-藻生物膜既廣泛存在于天然水體中的固體介質(zhì)表面，也可以通過人工強(qiáng)化手段在光生物反應(yīng)器中培養(yǎng)形成，其中，環(huán)境因素、微生物活性以及載體類型是影響菌-藻生物膜形成和脫落的重要條件。相較于傳統(tǒng)污水處理工藝，菌-藻生物膜不僅在一定程度上維持高濃度生物量，減少占地面積，同時(shí)在污染物去除、節(jié)能降耗以及對(duì)環(huán)境毒性的耐受性等方面也表現(xiàn)出極大的優(yōu)勢。因此，近年來，將菌-藻共生生物膜污水處理技術(shù)應(yīng)用于城鎮(zhèn)生活污水、工業(yè)廢水以及養(yǎng)殖廢水的研究方興未艾。雖然，菌-藻生物膜污水處理體系具有其獨(dú)特的優(yōu)勢，但在實(shí)際工程中的應(yīng)用仍任重而道遠(yuǎn)。其中，菌-藻共生生物膜快速形成及高效穩(wěn)定控制、污染物降解機(jī)制及針對(duì)特定廢水處理的細(xì)菌和微藻的富集培養(yǎng)等方面仍有待進(jìn)一步研究，具體包括：

1)菌-藻生物膜快速形成及穩(wěn)定高效是完成污水處理的前提和基礎(chǔ)，在生物膜形成過程中，細(xì)菌及藻類間信號(hào)傳遞，特別是群體感應(yīng)是影響生物膜形成時(shí)效及微生物群落結(jié)構(gòu)的重要因素，而有關(guān)如何調(diào)控菌-藻間群感效應(yīng)的研究鮮有報(bào)道；另一方面，由于水力剪切力、遮光效應(yīng)、傳質(zhì)阻力等所導(dǎo)致的菌-藻生物膜非自然脫落，藻細(xì)胞生長受限等問題仍未解決。因此，可通過反應(yīng)器構(gòu)型設(shè)計(jì)、運(yùn)行參數(shù)優(yōu)化等增強(qiáng)藻體光捕捉能力，降低或延緩生物膜脫落頻次；同時(shí)，將宏觀調(diào)控與微觀的細(xì)菌及微藻間信號(hào)分子相結(jié)合，進(jìn)一步研究菌-藻共生生物膜快速形成及穩(wěn)定控制機(jī)制。

2)當(dāng)前有關(guān)菌-藻生物膜對(duì)毒性物質(zhì)的耐受機(jī)制的理解尚停留在宏觀層面，需合理利用基因組學(xué)、代謝組學(xué)等研究手段，從微觀角度剖析菌-藻生物膜在極端環(huán)境下的耐受機(jī)制和去除機(jī)理。

3)目前，有關(guān)菌-藻共生生物膜處理普通生活污水的研究報(bào)道較多，并有一定的工程應(yīng)用，而菌-藻生物膜在特種廢水中毒害物質(zhì)的去除方面也展現(xiàn)出巨大潛力，但多處于實(shí)驗(yàn)室研究狀態(tài)。因此，可通過菌種篩選及馴化、微生物富集培養(yǎng)等方式，針對(duì)性地投加細(xì)菌及藻類來提高菌-藻生物膜在特種廢水處理方面的適應(yīng)能力，并根據(jù)微生物及廢水特征，合理開發(fā)相適應(yīng)的反應(yīng)器構(gòu)型，從而進(jìn)一步推廣菌-藻共生生物膜在特種廢水中的工程應(yīng)用。此外，針對(duì)工業(yè)廢水濁度所造成的藻類太陽能利用率低等問題，可通過結(jié)合物化等前處理手段降低進(jìn)水濁度、色度等，以期減緩水體遮光效應(yīng)。