藻菌共生系統(tǒng)處理污水的研究進(jìn)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(lián)合大學(xué) 生物化學(xué)工程學(xué)院，北京 100023；2.生物質(zhì)廢棄物資源化利用北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100023)

水作為一種有限的自然資源，是全球生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分，也是人類活動(dòng)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(huán)境污染物將對生態(tài)環(huán)境造成嚴(yán)重影響，也會(huì)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(shù)尤為重要。

傳統(tǒng)的污水處理工藝如物化法和生物法存在運(yùn)行成本高、去除效率低、占地面積大、會(huì)產(chǎn)生二次污染等缺點(diǎn)[2]。而微藻作為一種新型的污水處理技術(shù)，在污水處理方面具有顯著優(yōu)勢，具有光和效率高、環(huán)境適應(yīng)能力強(qiáng)、對氮磷的耐受力強(qiáng)、產(chǎn)生物量高、不會(huì)導(dǎo)致二次污染等優(yōu)點(diǎn)，并且回收的生物質(zhì)也可以應(yīng)用于可再生能源(生物柴油、生物乙醇、生物氫、沼氣等)、食品、醫(yī)藥、化妝品、飼料、廢料等領(lǐng)域，因此在污水處理領(lǐng)域已受到廣泛關(guān)注[3]。

但是在實(shí)際應(yīng)用中，純微藻的大規(guī)模無菌培養(yǎng)是非常困難和昂貴的[4]。后來，有研究者發(fā)現(xiàn)，一些微生物菌與微藻構(gòu)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(jià)值產(chǎn)品的產(chǎn)量。并且微藻-微生物共培養(yǎng)已成功應(yīng)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(lǐng)域的應(yīng)用以及藻菌生物質(zhì)的潛在利用價(jià)值。最后對藻菌共生系統(tǒng)處理污水提出了改進(jìn)建議并展望了未來發(fā)展的方向。

1 藻菌之間的關(guān)系

微藻與菌株之間的關(guān)系較為復(fù)雜，既有互利共生關(guān)系，又有相互競爭關(guān)系[6]。

1.1 互利共生關(guān)系

互利共生主要指藻菌之間的代謝產(chǎn)物表現(xiàn)出相互促進(jìn)的關(guān)系。主要體現(xiàn)在以下兩個(gè)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(jìn)行光合作用提供二氧化碳。②物質(zhì)代謝方面。微藻通過光合作用吸收污水中的氮磷等營養(yǎng)物質(zhì)供自身使用，并釋放胞外聚合物和其他物質(zhì)。而微生物則通過呼吸作用消耗這些物質(zhì)，并分解死藻細(xì)胞[7]。同時(shí)，微生物的分解產(chǎn)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(yǎng)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(xì)菌可以提供藻類所需的微量元素[9-10]。

1.2 相互競爭關(guān)系

藻菌之間的相互競爭主要表現(xiàn)在以下四個(gè)方面：①對營養(yǎng)物質(zhì)的競爭。微藻與微生物都會(huì)吸收污水水中的氮磷等作為自身的營養(yǎng)物質(zhì)。當(dāng)一些污水中氮磷等營養(yǎng)物質(zhì)較低，無法滿足藻與微生物共同生長的需求時(shí)，彼此之間就會(huì)表現(xiàn)出明顯的競爭關(guān)系[11]。②對O2的競爭。當(dāng)在無光環(huán)境中時(shí)，微藻進(jìn)行呼吸作用也會(huì)吸收外界環(huán)境中的O2，因此微生物就會(huì)與藻類競爭O2[12]。③藻毒素/細(xì)菌毒素的抑制。微藻會(huì)產(chǎn)生藻毒素，釋放后會(huì)抑制微生物生長甚至毒害微生物；細(xì)菌也會(huì)釋放細(xì)菌毒素，以此抑制藻類的生長，甚至?xí)呀庠寮?xì)胞[10]。④pH的影響。李小霞等[13]通過研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)藻類進(jìn)行光合作用時(shí)，會(huì)導(dǎo)致pH升高，從而對微生物產(chǎn)生毒害。

2 藻菌共生系統(tǒng)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(guān)注藻菌共生培養(yǎng)，以共生體形式存在的培養(yǎng)物(微藻-細(xì)菌、微藻-真菌、多菌多藻)因其具有較高的營養(yǎng)去除能力和生物量增加而被廣泛報(bào)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(xì)菌共生體系

目前，藻菌共生體系中，微藻-細(xì)菌共生體系研究最多，該體系一般需要借助固定化技術(shù)，例如借助于吸附劑、包埋劑、交聯(lián)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(jìn)行混合固定化，并研究了固定化藻菌系統(tǒng)對高濃度有機(jī)污水的降解效果，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，當(dāng)固定化小球的粒徑為4 mm時(shí)，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(xì)菌共生處理污水時(shí)，細(xì)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(xì)菌-微藻共生培養(yǎng)對污水中COD、總氮和總磷去除效果以及對生物量的影響。結(jié)果表明，藻菌共生處理污水時(shí)，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(chǎn)率。

2.2 微藻-真菌共生體系

有研究者發(fā)現(xiàn)，一些真菌像絲狀真菌與微藻構(gòu)成共生體系時(shí)，一方面可以起到固定化載體的作用，使得真菌吸附于藻細(xì)胞外部，保護(hù)藻細(xì)胞的同時(shí)并為其提供營養(yǎng)物質(zhì)[24]。另一方面，真菌有助于微藻絮凝，并能顯著提高生物質(zhì)產(chǎn)量以及脂質(zhì)的積累[25]。Muradov等[26]研究發(fā)現(xiàn)，真菌與微藻構(gòu)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(gòu)成的藻菌體系處理城市污水，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，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(tǒng)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(chǔ)上，發(fā)展出了固定化多藻多菌系統(tǒng)。此系統(tǒng)具有明顯的產(chǎn)污泥量少、對污染物耐受性強(qiáng)、固液分離速度快等優(yōu)點(diǎn)[27]。陳志華[19]用螺旋藻和活性污泥構(gòu)成的多藻多菌系統(tǒng)處理生活污水，發(fā)現(xiàn)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(gòu)成的多藻多菌系統(tǒng)對市鎮(zhèn)污水中COD的去除效果以及生物量積累的影響，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，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(tǒng)在污水處理中的應(yīng)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(gè)方面：①同化作用。同化作用主要去除無機(jī)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(xù)合成氨基酸，氨氮也可以直接被同化[28]。②氨揮發(fā)。研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)pH>8 時(shí)，氨將以氨氣的形式從水中揮發(fā)[29]。③氨化或礦化作用[27]。即污水中的有機(jī)氮(氨基酸、蛋白質(zhì)等)被微生物分解為氨，然后氨再以氨氣的形式從水中揮發(fā)。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(jìn)藻類的生長，但是過量的重金屬不但會(huì)抑制藻類生長甚至?xí)υ孱惍a(chǎn)生毒害作用。藻菌共生系統(tǒng)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(zhì)細(xì)胞壁含有醇、醛、酮、羧基、醚等官能團(tuán)，故增強(qiáng)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(zhì)，因此這是使用非活的藻類生物量比活的的主要優(yōu)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(shí)間等[34]。

3.4 去除其他難降解有機(jī)物

一些工業(yè)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(jī)物(氰化物、偶氮染料、抗生素、有機(jī)氯等)，這些難降解有機(jī)物具有毒性，且污水中污染物濃度高，成分復(fù)雜，不經(jīng)處理直接排放，會(huì)對微生物的生長產(chǎn)生危害。有研究報(bào)道，微藻對難降解有機(jī)物有很好的耐受力[35]，且構(gòu)建的藻菌共生體系對這些難降解有機(jī)物能有效的去除[11]。Yin等[36]采用藻菌共生系統(tǒng)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(fā)現(xiàn)，藻菌共生系統(tǒng)能對此類抗生素完全去除。

4 菌藻生物質(zhì)資源化利用

污水處理系統(tǒng)產(chǎn)生和收獲的生物質(zhì)既可以通過熱化學(xué)和生物轉(zhuǎn)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(chǎn)高附加值產(chǎn)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(fā)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(xù)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(zhì)、脂質(zhì)和其他生物分子的能力，因此藻類被認(rèn)為是生物燃料生產(chǎn)的一個(gè)可行的可再生宿主系統(tǒng)[38]。并且許多研究也證明一些藻菌構(gòu)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(chǎn)率。

4.1.1 生物柴油 有研究證明，當(dāng)產(chǎn)油藻與菌構(gòu)成共生體后，可以增加生物質(zhì)的產(chǎn)量，同時(shí)也能提高油脂的產(chǎn)量。例如Muradov 等將產(chǎn)油微藻與真菌構(gòu)成共生體后處理養(yǎng)豬廢水，研究表明，共培養(yǎng)體系不僅對污染物能較好的去除，而且增加了總生物質(zhì)及脂質(zhì)產(chǎn)量；并對菌藻生物質(zhì)進(jìn)行水熱液化處理后，獲得了生物柴油，表明真菌-微藻生物質(zhì)是一種有潛力的生物燃料生產(chǎn)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(nóng)作物發(fā)酵產(chǎn)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(chǎn)潛力[41]。另外，Polikovsky等[42]研究發(fā)現(xiàn)與無菌培養(yǎng)相比，藻與工程菌共生培養(yǎng)后，可以提高生物乙醇的產(chǎn)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(tǒng)的生物制氫是通過煤氣化或水電解等方法產(chǎn)生的，這些制氫的方法因此投資成本高，產(chǎn)量低，是不經(jīng)濟(jì)的[43]。但是利用藻類生物量生產(chǎn)氫氣的技術(shù)由于其可以彌補(bǔ)傳統(tǒng)制氫方法的缺點(diǎn)已受到關(guān)注。Liu等[44]利用大型藻海帶與細(xì)菌混合后厭氧發(fā)酵制氫。結(jié)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(zhì)最大產(chǎn)氫量為(83.45±6.96)mL/g，產(chǎn)氫量約為28.4%。

4.1.4 沼氣 沼氣是指生物質(zhì)厭氧消化產(chǎn)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(chǎn)沼氣潛力，并且藻與細(xì)菌構(gòu)成共生體后，既可以改善水質(zhì)，也可以產(chǎn)生沼氣。例如Xu等[45]從小球藻中分離出內(nèi)生細(xì)菌，并與寄主微藻共培養(yǎng)，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，分離出的菌株能促進(jìn)小球藻生長，同時(shí)能提高養(yǎng)分去除效率并產(chǎn)生沼氣。

4.2 高附加值產(chǎn)物

藻細(xì)胞中富含豐富的蛋白質(zhì)、色素、氨基酸、礦物元素等。采收的生物質(zhì)經(jīng)加工后還可以生產(chǎn)高附加值產(chǎn)物(表2)。

表2 生物質(zhì)在肥料、食品、醫(yī)藥、飼料、化妝品領(lǐng)域的潛在用途Table 2 Potential uses of biomass in fertilizer，food，medicine，feed and cosmetics

5 總結(jié)與展望

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

(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(jìn)一步篩選能夠適應(yīng)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(tǒng)在污水處理方面有顯著優(yōu)勢，但是藻菌之間的相互關(guān)系、代謝機(jī)制以及各自所發(fā)揮的作用不明確，因此需要進(jìn)一步探究藻菌共生去除污染物的機(jī)理。

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

(4)菌藻生物質(zhì)進(jìn)行加工生產(chǎn)生物燃料或高附加值產(chǎn)品方面，工藝復(fù)雜，技術(shù)不夠成熟，因此需要進(jìn)一步開發(fā)儀器設(shè)備，并優(yōu)化工作參數(shù)。