中圖分類號:X714 文獻標志碼:A 文章編號:1674-3075(2025)04-0048-10
據(jù)聯(lián)合國糧食及農(nóng)業(yè)組織2022年發(fā)布的《全球漁業(yè)與水產(chǎn)養(yǎng)殖狀況報告》顯示,2020年全球水產(chǎn)養(yǎng)殖產(chǎn)量達到1.226億t,其中水生動物0.875億t,預測2030年水生動物產(chǎn)量將再增長 22% ,達到1.068億t,水產(chǎn)養(yǎng)殖的增長將伴隨著巨大的環(huán)境壓力(FAO,2022)。采用微藻生物技術(shù)處理水產(chǎn)養(yǎng)殖尾水可實現(xiàn)資源化回收并產(chǎn)生經(jīng)濟效益,其優(yōu)勢吸引了大量研究者的興趣(Hanetal,2019)。微藻是一類具有高效光合作用的微生物,利用 CO2 和水中的氮磷進行生理代謝等活動,在回收利用工業(yè)廢水(Goswa-mietal,2021)、農(nóng)業(yè)廢水(Lietal,2024a)和城市廢水(Wangetal,2024)中有不錯的凈化能力和資源化回收效果。
利用廢水培養(yǎng)含油微藻可以在獲得微藻油脂產(chǎn)品的同時實現(xiàn)水體的氮磷降解(呂素娟等,2011)。養(yǎng)殖尾水中氮磷濃度遠低于其他類型的廢水,有研究(Sunetal,2022)表明,池塘和工廠等養(yǎng)殖系統(tǒng)水體中氮含量為 3.60~47.60mg/L ,磷含量為 0.23~6.75mg/L 較低的營養(yǎng)鹽將限制藻細胞內(nèi)卡爾文循環(huán)中mRNA的表達,并使代謝途徑向脂質(zhì)和脂肪酸方向轉(zhuǎn)移(Jakhwaletal,2024)。因此,利用養(yǎng)殖尾水氮磷濃度較低的特點更利于生產(chǎn)富含脂質(zhì)的柵藻。養(yǎng)殖尾水中土著菌群對微藻處理養(yǎng)殖廢水也有一定影響,Li等(2024b)發(fā)現(xiàn)了微藻和土著細菌之間存在穩(wěn)定的自適應機制和協(xié)同作用。本文通過研究微藻與土著菌共培養(yǎng)模式下養(yǎng)殖尾水中氮磷降解率、胞內(nèi)外有機物質(zhì)和土著菌群的變化狀況,探究利用微藻對養(yǎng)殖尾水進行凈化的可行性。
1材料與方法
1.1試驗材料
1.1.1尾水與藻株本研究養(yǎng)殖尾水取自上海市某南美白對蝦養(yǎng)殖基地,其總氮、總磷和氨氮濃度見表1,氮磷比約為5.35,養(yǎng)殖尾水排放限值參照上海市養(yǎng)殖尾水排放標準(DB31/1405—2023)。采用的藻株為柵藻屬(Scenedesmussp.),此藻株是2022年10月在養(yǎng)殖尾水中分離鑒定,現(xiàn)保種在上海海洋大學實驗室。
1.1.2裝置搭建光生物反應器(PBR)裝置由聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)構(gòu)成,使用LED全光譜燈作為外部光源,設(shè)置光照強度為 2000lux 。將容量 10L 的PBR系統(tǒng)以 20L/min 的速率進行曝氣,同時保持溫度為 (25±2)°C 。試驗過程中, pH 為 7.5±0.5 ,通過下部管道從底部收集藻類生物質(zhì),具體見圖1。
1.1.3試驗設(shè)計本文設(shè)置4組平行試驗,其中未滅菌的養(yǎng)殖尾水作為土著菌組,滅菌后的養(yǎng)殖尾水培養(yǎng)微藻作為Scenedesmussp.組,未處理的養(yǎng)殖尾水培養(yǎng)微藻作為土著菌+Scenedesmussp.組(藻菌組),利用BG11培養(yǎng)基培養(yǎng)微藻作為BG11組;前3組用于養(yǎng)殖尾水氮磷去除效果對照試驗,后3組用于微藻胞內(nèi)營養(yǎng)成分對照試驗。各組微藻初始生物量為 0.12g/L ,試驗進行 120h 。
1.2測定與分析方法
1.2.1水質(zhì)每隔 12h 從PBR裝置中取出水樣,使用紫外分光光度計測定總氮(TN)、硝氮、總磷(TP)和氨氮 (NH4+–N) ,化學需氧量(COD)使用高錳酸鉀指數(shù)法,指標測定方法參照《水和廢水監(jiān)測分析方法》(國家環(huán)境保護總局《水和廢水監(jiān)測分析方法》編委會,2002)。水質(zhì)檢測過程中,對每項指標進行了多次平行試驗,以準確評估藻類處理技術(shù)在養(yǎng)殖廢水處理中的應用前景,根據(jù)公式 ① 計算水質(zhì)指標的降解效率 (η)
式中: η 為降解率; Nι 為 t 時刻濃度, N0 為初始濃度,單位均為 mg/L 。
1.2.2微藻生物量將 5mL 藻類培養(yǎng)物轉(zhuǎn)移到 15mL 離心管中。使用分光光度計測量藻類培養(yǎng)物在680nm 處的光密度 (D0) 來確定生物量濃度,若吸光度超過2.0,將藻液稀釋后再次測定。藻菌組通過以 1250r/min 離心 3min ,藻類細胞沉降到底部,細菌保留在懸浮液。生物質(zhì)濃度 (CB,g/L )根據(jù)公式② 計算:
CB=(S×D0,680-I)×N
式中:S是斜率,計算結(jié)果為0.501;I是 y 軸截距,計算結(jié)果為 0.007;N 是稀釋率; R2=0.992 。
1.2.3營養(yǎng)物質(zhì)碳水化合物的定量測定采用苯酚-硫酸Anthrone法,以葡萄糖為標準進行校準(Lyuetal,2019);蛋白質(zhì)濃度的測定采用Bradford法測定,吸光波長為 595nm ,以牛血清白蛋白為標準溶液(Bradford,1976);總脂質(zhì)濃度采用氯仿:甲醇(2:1)法進行測定(Pruvostetal,2011)。
1.2.4胞外聚合物胞外聚合物(EPS)含量由總有機碳(TOC)表征,使用TOC分析儀進行量化,通過苯酚-硫酸法和Bradford法測定不同組的蛋白質(zhì)和多糖(Giriamp;Mukherjee,2021),并利用三維熒光光譜來比較不同組EPS樣品中有機物的種類。具體操作如下:將藻液放入 50mL 離心管內(nèi),用高速冷凍離心機在 4°C F12000r/min 離心 15min 提取EPS;再通過 0.45μm 混合纖維素膜過濾上清液可獲得EPS溶液,利用TOC分析儀測定EPS含量,通過苯酚-硫酸法和Bradford法測定EPS的蛋白質(zhì)和多糖成分,使用3D-熒光光譜儀測定有機物熒光數(shù)據(jù)后導入Origin2022軟件制圖。
1.2.5微生物群落取藻菌組試驗前后的2份尾水樣品置于 2mL 凍存管中,將樣品送寄予上海美吉生物有限公司進行高通量測序,采用338F806R(338F:ACTCCTACGGGAGGCAGCAG,806R:GGAC-TACHVGGGTWTCTAAT)16SrDNA擴增引物進行PCR擴增。采用微生物生態(tài)學定量分析(QIIME)軟件(1.9.1版)計算微生物群落的Alpha多樣性指數(shù),Alpha多樣性主要用于研究某一生境內(nèi)(或樣本中)的群落多樣性,可通過對一系列Alpha多樣性指數(shù)進行評估,獲得環(huán)境群落中物種的豐富度、均勻度和多樣性等信息(Cabreros etal,2023),包括Chao、Shannon和Shannoneven。利用PCoA分析進行Beta多樣性分析。
1.3數(shù)據(jù)處理
利用Excel和Origin2022軟件進行單因子方差分析和繪圖, Plt;0.05 表示顯著性差異。測序數(shù)據(jù)在上海美吉生物有限公司平臺進行分析,分析數(shù)據(jù)以平均值 ?± 標準偏差的形式展示,統(tǒng)計差異的顯著性閾值為 5% L
2結(jié)果與分析
2.1養(yǎng)殖尾水的凈化效果
試驗期間,養(yǎng)殖尾水中的氮磷降解情況如圖2所示,藻菌共培養(yǎng)的模式對養(yǎng)殖尾水中TN、TP和NH4+ -N的降解均優(yōu)于其他組合,表現(xiàn)出良好的去除效果。
藻菌共培養(yǎng)對養(yǎng)殖尾水中TN降解效果最佳, 72h 時,TN降低至 4.63mg/L (圖2a),降解率達 71.37%± 0.02% ,這表明細菌參與了硝化與反硝化過程。Li等(2024b)研究表明,細菌在藻菌共生系統(tǒng)內(nèi)的自適應機制和微藻的協(xié)同作用可促進脫氮過程。與TN不同,氨氮在 72h 時,去除率達到 100% ,推測氨氮是Scenede-mussp.優(yōu)先去除的氮素。微藻對氨氮的同化作用通過谷氨酰胺合成酶和谷氨酰胺氧谷氨酸轉(zhuǎn)氨酶/谷氨酸合酶或谷氨酸脫氫酶的途徑發(fā)生(Nagarajanetal,2019),在生長和生理代謝過程中首選氮源是氨(Lietal,2022),因此藻菌共生系統(tǒng)中氨氮去除效果優(yōu)于TN。
藻菌組合和單一藻株Scenedemussp.能完全去除TP(圖2c),降解率達 100% ,降解效果優(yōu)于土著菌群,這表明Scenedemussp.在處理氮素之前就能快速去除TP,這與Zhang等(2023)的研究一致。磷元素基本上被微藻同化用于多種目的,并且主要以無機正磷酸鹽( PO43- 、 HPO42- 、和 H2PO4- 的形式存在(Lietal,2022)。此外,微藻可以積累細胞內(nèi)的磷作為聚磷酸鹽顆粒用于儲存,它是形成細胞成分如磷脂、DNA、RNA和ATP所不可或缺的,這些成分對涉及能量轉(zhuǎn)移和核酸合成的代謝途徑至關(guān)重要(Dyhrman,2016),這些解釋了藻菌共生系統(tǒng)對磷的有效吸收以及利用微藻處理水產(chǎn)養(yǎng)殖廢水的實用性。
2.2養(yǎng)殖尾水對微藻胞內(nèi)營養(yǎng)物質(zhì)的影響
養(yǎng)殖尾水和土著菌群落可以促進Scenedemus sp.脂質(zhì)的積累。從圖3可看出,利用養(yǎng)殖尾水培養(yǎng)Scen-edemussp.的脂質(zhì)含量分別為 30.23% 和 38.34% ,顯著高于BG11培養(yǎng)基的 15.23% ;兩組的蛋白質(zhì)含量 (30.24% 28.31% 和碳水化合物含量 (15.32%,12.41%) ,均低于BG11組 (33.64%,18.65%) 。養(yǎng)殖尾水中的氮磷含量遠低于BG11培養(yǎng)基,較低的營養(yǎng)鹽限制了卡爾文循環(huán)中mRNA的表達,并使代謝途徑向脂質(zhì)和脂肪酸方向轉(zhuǎn)移(Jakhwaletal,2024)。相較于單一藻株Scenedemus sp.,藻菌組合的脂質(zhì)含量增加了 8.11% ,這表明了養(yǎng)殖尾水中含有促進Scenedemussp.積累脂質(zhì)的菌種,藻菌間的相互作用影響了藻細胞中脂質(zhì)的含量(Cao,2024)。
2.3生物量及胞外聚合物變化
在養(yǎng)殖尾水處理過程中,“Scenedemussp. + 土著菌”組的微藻生物量在培養(yǎng) 120h 后可達 1.84g/L (圖4a),其生長趨勢明顯優(yōu)于單一培養(yǎng),在共培養(yǎng)模式下藻菌的互作機制有助于藻細胞的增值(Chenetal,2019)。Scenedemussp.和土著菌群共培養(yǎng)模式下的總胞外聚合物在 120h 為 8.75mg/L (圖4b),其含量明顯高于單一培養(yǎng) (Plt;0.05) 。胞外聚合物作為微藻和細菌生長過程中重要的代謝產(chǎn)物,其成分和比例能夠直接反映藻菌的生理狀態(tài)和對環(huán)境的適應性。胞外聚合物含量升高,可為微生物群落提供穩(wěn)定的場所和有機質(zhì)來源(Huangetal,2015;Jinetal,2023)。如圖4c所示,本研究主要表現(xiàn)為胞外聚合物中蛋白質(zhì)成分上升。
通過3D-EEM熒光光譜儀進一步鑒定(圖5a\~c),發(fā)現(xiàn)藻菌共培養(yǎng)體系(圖5c)相較于土著菌和單藻體系(圖5a、5b),區(qū)域V對應的類酪氨酸芳香族蛋白質(zhì)和類色氨酸芳香族蛋白質(zhì)的熒光峰值范圍和強度增加。與微生物相關(guān)的區(qū)域I、Ⅱ和Ⅲ的熒光峰值范圍和強度也隨時間增加,它們分別與微生物產(chǎn)物、富里酸類物質(zhì)和腐殖酸類有機物有關(guān)(Dingetal,2022)。
2.4土著菌群落變化
2.4.1細菌群落多樣性及結(jié)構(gòu)特征本研究通過Chao、Shannon和Shannoneven指數(shù)對處理前后的養(yǎng)殖尾水細菌群落進行定量分析,結(jié)果如圖6a\~c所示,Chao和Shannon指數(shù)顯著下降 (Plt;0.05) ,細菌群落豐富度和多樣性下降,Shannoneven指數(shù)無顯著性差異,說明了Scenedemussp.處理養(yǎng)殖尾水時,會降低土著菌群的豐富度和多樣性。另外,通過Beta多樣性分析(圖6d)可以看出土著菌群組成出現(xiàn)明顯差異。
通過高通量測序分析,研究了養(yǎng)殖尾水藻菌共生系統(tǒng)中細菌群落組成的變化。養(yǎng)殖尾水處理前的細菌群落組成如圖6e所示,優(yōu)勢菌群在門級別為擬桿菌門(Bacteroidota)、變形菌門(Proteobacteria)和厚壁菌門(Frimicutes),豐度分別為 47.55%,16.78% 和14.69% ,優(yōu)勢菌群在門級別分類與Sun等(2020)、曲疆奇等(2023)和Liu等(2024)研究結(jié)果一致。處理后的細菌群落組成如圖6f所示,擬桿菌門、變形菌門和厚壁菌門豐度分別為 5.10%.59.03% 和 3.55% ,另外藍細菌門(Cyanobacteria)豐度增加為 26.42% ,也成為優(yōu)勢菌門。試驗表明,Scenedemussp.處理養(yǎng)殖尾水過程中,擬桿菌門和厚壁菌門豐度顯著下降,分別降低 42.45% 和 11.14% ;變形菌門和藍細菌門分別上升 42.25% 和 22.1% ,成為優(yōu)勢菌門。
2.4.2優(yōu)勢菌與水質(zhì)因子相關(guān)性屬級別優(yōu)勢菌試驗前后變化情況如圖7a和圖7b所示,優(yōu)勢菌屬Chlo-robium和Trichococcus的相對豐度下降,尤其是Chlorobium的相對豐度從 44.26% 下降到 0.04% ,Trichococcus的相對豐度從 7.73% 下降到 2.06% ,試驗結(jié)束后Porphyrobacter和norank_f_norank_o_Chlo-roplast成為優(yōu)勢菌屬,相對豐度為 57.11% 和10.63% ,分別增加了 52.69% 和 6.35% 。任子安(2024)研究表明,Porphyrobacter菌屬可以使微藻表現(xiàn)出更好的生長和油脂積累特性,這解釋了上述藻菌模式下Scenedemussp.脂質(zhì)積累增加的原因。另外,出現(xiàn)新菌屬Hydrogenophaga(相對豐度 8.57% 和Fontibacter(相對豐度 3.48% )。
通過Spearman相關(guān)性分析影響環(huán)境變量的關(guān)鍵物種,結(jié)果如圖7c所示,優(yōu)勢菌屬Porphyrobacter和Hydrogenophaga與TP具有顯著負相關(guān)性 (Plt;0.05) ,另外,附生菌Fontibacter與TN、TP、COD和 NH4+ -N都具有顯著負相關(guān)性( (Plt;0.05) ,推測Porphyrobacter、Hydrogenophaga和Fontibacter在養(yǎng)殖尾水處理過程中成為主導菌群,加快了養(yǎng)殖尾水的處理效率。
3討論
3.1微藻-土著菌對養(yǎng)殖尾水的凈化效果
微藻借助光合作用釋放氧氣,為細菌的異化作用提供必要條件,而細菌吸收有機質(zhì)釋放的二氧化碳則被微藻重新利用,這一循環(huán)機制有效減少了溫室氣體排放,體現(xiàn)了藻菌共生的環(huán)境效益(Jinetal,2023)。如表2所示,相較于人工構(gòu)建的藻菌系統(tǒng),采用微藻與土著菌的自然共生模式在處理水產(chǎn)養(yǎng)殖尾水方面展現(xiàn)出更優(yōu)的性能,特別是在去除總氮(TN)、總磷(TP)和氨氮 (NH4+–N) 等關(guān)鍵營養(yǎng)鹽方面。根據(jù)本研究結(jié)果(圖2a\~c),藻菌共培養(yǎng)體系可在 72h 達到上海市養(yǎng)殖尾水排放標準(DB31/1405—2023)。微藻-土著菌共培養(yǎng)策略無需額外添加菌種,通過自然選擇形成微藻主導下的細菌群落結(jié)構(gòu),利用原水中促進微藻生長的優(yōu)勢菌群,不僅提升了營養(yǎng)鹽的去除效率,還增加了藻類生物量。Bhatt等(2024)的研究表明,在Chlorellavulgaris與土著菌群共同作用下,蝦類養(yǎng)殖尾水的總氮和總磷去除率分別高達90.00% 和 99.00% ,這與本研究在低氮磷含量尾水深度處理方面的結(jié)果一致。Cao等(2024)通過未滅菌養(yǎng)殖尾水培養(yǎng)Scenedemus sp.藻株,實現(xiàn)了 1.10g/L 的藻類生物產(chǎn)量,而本研究中微藻-土著菌共培養(yǎng)模式下的最高藻類生物量更是達到了 1.84g/L ,進一步證實了該策略在實現(xiàn)養(yǎng)殖尾水資源化利用方面的可行性。本研究中的微藻-土著菌共培養(yǎng)是在柱狀光生物反應器(見1.1.2)中實施的,其中光照強度、溫度等環(huán)境因素對系統(tǒng)的處理效能及藻類生物量生產(chǎn)具有顯著影響。未來研究將聚焦于優(yōu)化光生物反應器的運行參數(shù),以期進一步提升尾水處理效率和藻類生物量的產(chǎn)出。
3.2養(yǎng)殖尾水和土著菌對微藻脂質(zhì)積累的影響
根據(jù)Stumm的微藻細胞經(jīng)典公式C106H263O110N16P 提供的最佳N:P為7.2(Jinetal,2023),本研究中養(yǎng)殖尾水的初始氮磷比(5.35)并未對Scenedemussp.的生長構(gòu)成負面影響,在培養(yǎng) 72h 后,水體中的磷被完全消耗,Scenedemussp.在磷缺乏的環(huán)境中繼續(xù)生長。Muhlroth等(2017)的研究表明,在磷酸鹽限制條件下,卡爾文循環(huán)相關(guān)基因的mRNA表達水平顯著下調(diào),代謝途徑向脂質(zhì)和脂肪酸方向轉(zhuǎn)移,細胞內(nèi)磷脂分解為甘油醛3-磷酸(G3P)、脂肪酸合成酶(FAs)和甘油二酯(DAG),用于合成三酰甘油(TAG)和半乳糖脂,同時增加不含磷的脂質(zhì)[如甜菜堿脂(DGTS)、二酰甘油硫代糖脂(SQDG)]以替代含磷脂質(zhì)。在培養(yǎng) 120h 后,養(yǎng)殖尾水中的Scenedemussp.脂質(zhì)含量顯著提升,且藻菌組合體系下的脂質(zhì)含量相較于單一藻株增加了 8.11% 這一增長可能歸因于Porphyrobacter和Hydroge-nophaga成為優(yōu)勢菌群。Li等(2024b)研究表明微藻-土著菌深度處理廢水時,土著菌可以通過 Fe3+ 維生素和植物激素來促進微藻脂質(zhì)的積累,本研究代謝功能相關(guān)基因表達豐度如圖8所示。水體中的Fe3+ 可以通過細菌的鐵載體還原成可供微藻吸收的Fe2+ ,促進微藻代謝和加速脂質(zhì)積累(Aminetal,2009)。細菌可以通過分泌維生素 B12 生物分子參與脂肪酸的合成代謝和脂質(zhì)的積累(Croftetal,2005)。細菌利用內(nèi)源性色氨酸(Trp)作為吲哚-3-乙酸(IAA)生物合成的前體以及分泌IAA,IAA使微藻的3-磷酸甘油酯(3-PGA)被引導進入脂質(zhì)的合成。因此,水產(chǎn)養(yǎng)殖尾水中低營養(yǎng)鹽和土著菌有利于 Scenedemus sp.脂質(zhì)含量的增加。另外,藻菌培養(yǎng)模式下胞外聚合物可達 8.75mg/L ,遠高于單一藻株或土著菌群培養(yǎng),代謝可溶性微生物產(chǎn)物和芳香蛋白明顯增加,這與變形菌門和Scenedemussp.的相互作用有關(guān),變形菌門的成膜機制促進了微藻-細菌絮凝物的形成,增強了生物量收獲。
3.3微藻對土著菌群落的影響
Scenedemussp.在生長過程中會對土著菌群的結(jié)構(gòu)與組成產(chǎn)生調(diào)節(jié)作用,導致土著菌群的豐富度和多樣性有所降低,同時篩選出對其生長有利的菌種,建立起長期穩(wěn)定的協(xié)同適應關(guān)系。在養(yǎng)殖尾水中,土著菌群主要由擬桿菌門、變形菌門和厚壁菌門構(gòu)成。與原始污水相比,在降解過程中,擬桿菌門和厚壁菌門的豐度有所下降,特別是Chlorobium和Trichococcus的相對豐度顯著降低。已有研究表明,這些菌種能參與硝化和反硝化過程(Zhangetal,2021),因此它們可能與Scenedemussp.競爭養(yǎng)殖尾水中的氮資源。而Scenedemussp.可能通過釋放溶解氧,對這兩種菌的生長產(chǎn)生抑制作用。變形菌門成為優(yōu)勢菌門主要是由于Porphyrobacter的顯著增加。據(jù)任子安(2024)研究顯示,藻菌共生模式下處理廢水時,Porphyrobacter可以成為優(yōu)勢菌,并有助于促進微藻的生長和脂質(zhì)積累。在本研究的后期階段,Porphyrobacter成為絕對優(yōu)勢菌種(相對豐度達57.11% )。Scenedemussp.在生長過程中還會提高水體中胞外聚合物的含量,富含蛋白質(zhì)和多糖的胞外聚合物為Porphyrobacter的生長提供了營養(yǎng)物質(zhì)。另外,Porphyrobacter與水質(zhì)因子COD呈顯著負相關(guān)性 (Plt;0.05) (圖7c),藻菌共培養(yǎng)模式下對COD的去除效果主要依靠菌的作用(馬瑞陽等,2019),Porphyrob-acter屬于變形菌門,常在各類廢水中檢測出,并參與有機物的去除(Renetal,2019;Chenetal,2023),因此,推測本研究養(yǎng)殖尾水中COD的去除與Porphyro-bacter相對豐度增加相關(guān)。
參考文獻
國家環(huán)境保護總局《水和廢水監(jiān)測分析方法》編委會,2002 水和廢水監(jiān)測分析方法[M].4版.北京:中國環(huán)境科學出 版社.
呂素娟,張維,彭小偉,等,2011.城市生活廢水用于產(chǎn)油微藻 培養(yǎng)[J].生物工程學報,27(3):445-452.
LYU S J, ZHANG W, PENG X W, et al, 2011. Cultivating an oleaginous microalgae with municipal wastewater[J]. Chinese Journal of Biotechnology, 27(3):445-452.
馬瑞陽,葛成軍,王珺,等,2019.藻-菌單一及共生系統(tǒng)對海 水養(yǎng)殖尾水的凈化作用[J].中國水產(chǎn)科學,26(6):1126- 1135.
MA RY, GE C J, WANG J, et al, 2019. Purification of mariculture wastewater by utilizing single and symbiotic systems of microalgae-bacteria treatment technology[J]. Journal of Fishery Sciences of China,26(6):1126-1135.
曲疆奇,張清靖,楊浩辰,等,2023.養(yǎng)殖尾水處理系統(tǒng)填料生 物膜氮循環(huán)微生物功能特征[J].水生態(tài)學雜志,44(2): 104-113.
QUJQ,ZHANG QJ,YANGHC, etal, 2023.Functional characteristics of nitrogen cycling microbes in the biofilm carrier of an aquaculture tailwater treatment system[J]. Journal of Hydroecology, 44(2):104-113.
任子安,2024.基于垃圾滲濾液生化廢水處理的藻菌互作機 制研究[D].濟南:山東建筑大學.
AMINSA,GREENDH,HARTMC,etal,2009.Photolysis of iron-siderophore chelates promotes bacterial-algal mutualism[J]. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America,106(40):17071- 17076.
BHATTP,BROWNPB,HUANGJY, et al,2024.Algae and indigenous bacteria consortium in treatment of shrimp Wastewater: a study for resource recovery in sustainable aquaculture system[J]. Environmental Research,250:
BRADFORD M M, 1976.A rapid and sensitive method for the quantitation of microgram quantities of protein utilizing the principle of protein-dye binding[J].Analytical Biochemistry, 72(1/2):248-254.
CABREROS C, CORPUZ MV A, CASTROGIOVANNI F, et al,2023. Unraveling microbial community by next-generation sequencing in living membrane bioreactors for wastewater treatment[J]. Science of the Total Environment, 886:163965.
CAO Y A, ZHI S L,PHYU K, et al, 2024. Interaction between microalgae and phycosphere bacteria in a binary cultivation system-based dairy farm wastewater treatment[J]. Bioresource Technology, 409:131248.
CHEN X Y, HU Z, QI Y,et al,2019. The interactions of algaeactivated sludge symbiotic system and its effects on wastewater treatment and lipid accumulation[J]. Bioresource Technology,292:122017.
CHEN Y, ZHANG F Y, ZHAO F, et al,2023. The degradation of high emulsified oil wastewater in an intermitently-aerated MBBR packed with magnetic polystyrene particles [J]. Environmental Pollution, 328:121551.
CROFT M T, LAWRENCE A D,RAUX-DEERY E,et al, 2005. Algae acquire vitamin B12 through a symbiotic relationship with bacteria[J]. Nature, 438(7064):90-93.
DING MY, WANG C S, BAE S W, et al,2022. Enhanced nutrient removal and bioenergy production in microalgal photobioreactor following anaerobic membrane bioreactor for decarbonized wastewater treatment[J]. Bioresource Technology,364:128120.
DYHRMAN S T, 2016. Nutrients and Their Acquisition: Phosphorus Physiology in Microalgae[M]//Borowitzka M, Beardall J,Raven J. The Physiology of Microalgae. Developments in Applied Phycology, vol 6. Springer, Cham: 155-183.
FAO,2022. The state of world fisheries and aquaculture:2022: towards blue transformation[R]. Rome: FAO.
GIRI S, MUKHERJEE A, 2021. Ageing with algal EPS reduces the toxic effects of polystyrene nanoplastics in freshwater microalgae Scenedesmus obliquus[J]. Journal of Environmental Chemical Engineering, 9(5):105978.
GOSWAMI RK,MEHARIYA S,VERMAP, etal,2021.Microalgae-based biorefineries for sustainable resource recovery from wastewater[J]. Journal of Water Process Engineering,40:101747.
HAN P,LU Q,F(xiàn)AN L, et al, 2019.A review on the use of microalgae for sustainable aquaculture[J]. Applied SciencesBasel, 9(11):2377.
HUANG W L,LI B, ZHANG C, et al, 2015. Effect of algae growth on aerobic granulation and nutrients removal from synthetic wastewater by using sequencing batch reactors [J]. Bioresource Technology,179:187-192.
JAKHWALP,DANESHVARE, SKALSKAK, et al,2024.Nutrient removal and biomass production of marine microalgae cultured in recirculating aquaculture systems (RAS) water with low phosphate concentration[J]. Journal of Environmental Management, 358:120859.
JI B,F(xiàn)AN S Q, LIU Y, 2022. A continuous-flow non-aerated microalgal-bacterial granular sludge process for aquaculture wastewater treatment under natural day-night conditions[J]. Bioresource Technology, 350:126914.
JIN Y R, ZHAN W, WU R, et al, 2023. Insight into the roles of microalgae on simultaneous nitrification and denitrification in microalgal-bacterial sequencing batch reactors: nitrogen removal, extracellular polymeric substances,and microbial communities[J].Bioresource Technology,379: 129038.
LI J,LI T, SUN D,et al,2024a. Treatment of agricultural wastewater using microalgae:a review[J]. Advances in Applied Microbiology,128:41-82.
LI S N, QU W Y, CHANG H X, et al, 2022. Microalgae-driven swine wastewater biotreatment: nutrient recovery, key microbial community and current challenges[J]. Journal of Hazardous Materials, 440:129785.
LI S Z,XING D X, SUN C, et al, 2023.Effect of mariculture wastewater concentrations on high-value production and pollutants removal with bacterial-algal coupling reactor (BACR)[J]. Bioresource Technology, 385:129410.
LI X P, SUN X Y, ZHOU X, et al, 2022.Fabrication of immobilized algal-bacterial beads and its application in synthetic mariculture tail water treatment[J]. Process Safety and Environmental Protection,166:158-165.
LI X,LI S N, XIE P, et al, 2024b. Advanced wastewater treatment with microalgae-indigenous bacterial interactions[J]. Environmental Science and Ecotechnology, 20:100374.
LIU W B, QIAN J, DING H J, et al, 2024. Synergistic interactions of light and dark biofilms in rotating algal biofilm system for enhanced aquaculture wastewater treatment[J]. Bioresource Technology, 400:130654.
LYU J P, ZHAO F, FENG J, et al, 2019. Extraction of extracellular polymeric substances (EPS) from a newly isolated self-flocculating microalga Neocystis mucosa SX with different methods[J]. Algal Research, 40:101479.
MUHLROTHA,WINGE P, EL ASSIMI A, et al, 2017. Mechanisms of phosphorus acquisition and lipid class remodeling under P limitation in a marine microalga[J].Plant Physiology, 175(4):1543-1559.
NAGARAJAN D, KUSMAYADI A, YEN H W, et al, 2019. Current advances in biological swine wastewater treatment using microalgae-based processes[J]. Bioresource Technology,289:121718.
PRUVOST J, VAN VOOREN G, LE GOUIC B, et al, 2011. Systematic investigation of biomass and lipid productivity bymicroalgae in photobioreactors for biodiesel application[J]. Bioresource Technology, 102(1):150-158.
RENHY, ZHU JN, KONG FY, et al, 2019.UItrasonic enhanced simultaneous algal lipid production and nutrients removal from non-sterile domestic wastewater[J]. Energy Conversion and Management, 180:680-688.
SUN J,LI N, YANG P, et al, 2020.Simultaneous antibiotic degradation, nitrogen removal and power generation in a microalgae-bacteria powered biofuel cell designed for aquaculture wastewater treatment and energy recovery[J]. International Journal of Hydrogen Energy, 45(18): 10871- 10881.
SUN X Y,LI XP, TANG S, et al,2022.A review on algal-bacterial symbiosis system for aquaculture tail water treatment[J]. Science of the Total Environment, 847:157620.
WANG X Y, HONG Y, WANG Z Y, et al, 2024. High capacities of carbon capture and photosynthesis of a novel organiccarbon-fixing microalgae in municipal wastewater: from mutagenesis,screening, ability evaluation to mechanism analysis[J]. Water Research, 257:121722.
ZHANG C F, CHEN X, HAN M N, et al, 2023. Revealing the role of microalgae-bacteria niche for boosting wastewater treatment and energy reclamation in response to temperature[J].Environmental Science and Ecotechnology,14: 100230.
ZHANG Q, ZHANG C, ZHU Y N, et al, 2021. Effect of bacteria-to-algae volume ratio on treatment performance and microbial community of a novel heterotrophic nitrification-aerobic denitrification bacteria-chlorella symbiotic system[J]. Bioresource Technology,342:126025.
(責任編輯熊美華)
Aquaculture Tailwater Treatment with a Microalgae-Indigenous Bacteria Co-culture
LING Yun1,LI Miaoxin1, ZHOU Yingxian1, SUN Zheng2
(1. College of Oceanography and Ecological Science, Shanghai Ocean University, Shanghai 201306,P.R. China; 2. College ofFisheries and Life Science, Shanghai Ocean University, Shanghai 201306,P.R.China)
Abstract: In this study, we investigated nitrogen and phosphorus removal eficiency, extracellular polymeric substances,and the indigenous bacterial community in aquaculture wastewater with aco-culture of microalgae and indigenous bacteria and characterized tailwater after treatment with this co-culture system.We aimed to assess the feasibility of utilizing microalgae for purification of aquaculture wastewater. A strain of the green microalgae Scenedesmus sp., isolated from aquaculture wastewater, was selected for study,and four treatment groups were prepared: indigenous bacteria without Scenedesmus sp. in untreated aquaculture wastewater; Scenedesmus sp. cultivated in sterilized aquaculture wastewater; indigenous bacteria+Scenedesmus sp. cultivated in untreated aquaculture wastewater; Scenedesmus sp.cultivated in BGll growth medium.The first three treatments were used to compare nitrogen and phosphorus removal from aquaculture wastewater,and the latter three treatments were used to compare intracelular nutrients of macroalgae. The initial biomass of microalgae for all groups was 0.12g/L ,and the experiment lasted for 120h . The removal rates of total nitrogen, total phosphorus and ammonia nitrogen in the indigenous bacteria+Scenedesmus sp. group was higher than in the other two treatments, with respective removal rates of 71.37% , 100% and 100% ,all meeting the discharge standard for aquaculture wastewater.When culture tailwater replaced the BG11 medium,the lipid content of Scenedesmus sp.increased, with lipid contents of 30.23% in the Scenedesmus sp. group and 38.34% in the co-culture group of indigenous bacteria+Scenedesmus sp.,significantly higher (Plt;0.05) than the 15.23% in the BG1l group. The lipid content in the co-culture group was 8.11% higher than in the algae group indicates that the algae-bacteria interaction increased the lipid content of algae cells.In the co-culture, Scenedesmus sp.reduced the richness and diversity of the indigenous bacteria community, decreasing the relative abundance ofBacteroidota (relative abundance 47.55% )and Firmicutes (relative abundance 14.69% ) in the aquaculture wastewater,and Porphyrobacter (relative abundance 57.11% )became the dominant species.The results of this study provide a theoretical basis and a general procedure for treating aquaculture tailwater with microalgae to attain a circular economy in aquaculture.
Key words: Scenedesmus sp.; aquaculture tailwater; extracellular polymeric substances; indigenous bacterial community