藻菌共生系统处理污水的研究进展

李亚丽，甄新，李春庚，王晚晴，2，华威，2，武双，2 ，程艳玲，2

(1.北京联合大学 生物化学工程学院，北京 100023；2.生物质废弃物资源化利用北京市重点实验室，北京 100023)

水作为一种有限的自然资源，是全球生态系统的重要组成部分，也是人类活动的重要组成部分。随着人们生活水平的不断提高，水污染所造成的氮、磷、重金属、抗生素等环境污染物将对生态环境造成严重影响，也会危及人类的健康和生存[1]。因此，寻找一种高性能的污水处理技术尤为重要。

传统的污水处理工艺如物化法和生物法存在运行成本高、去除效率低、占地面积大、会产生二次污染等缺点[2]。而微藻作为一种新型的污水处理技术，在污水处理方面具有显著优势，具有光和效率高、环境适应能力强、对氮磷的耐受力强、产生物量高、不会导致二次污染等优点，并且回收的生物质也可以应用于可再生能源(生物柴油、生物乙醇、生物氢、沼气等)、食品、医药、化妆品、饲料、废料等领域，因此在污水处理领域已受到广泛关注[3]。

但是在实际应用中，纯微藻的大规模无菌培养是非常困难和昂贵的[4]。后来，有研究者发现，一些微生物菌与微藻构成共生体后，可以提高污水净化效率、生物量含量、脂肪含量和高价值产品的产量。并且微藻-微生物共培养已成功应用于污水处理[5]。

本文主要综述了藻菌共生体系在废水处理领域的应用以及藻菌生物质的潜在利用价值。最后对藻菌共生系统处理污水提出了改进建议并展望了未来发展的方向。

1 藻菌之间的关系

微藻与菌株之间的关系较为复杂，既有互利共生关系，又有相互竞争关系[6]。

1.1 互利共生关系

互利共生主要指藻菌之间的代谢产物表现出相互促进的关系。主要体现在以下两个方面：①气体方面。微藻通过光合作用为微生物的生长提供氧气，而微生物则通过呼吸代谢为微藻进行光合作用提供二氧化碳。②物质代谢方面。微藻通过光合作用吸收污水中的氮磷等营养物质供自身使用，并释放胞外聚合物和其他物质。而微生物则通过呼吸作用消耗这些物质，并分解死藻细胞[7]。同时，微生物的分解产物可以被藻类吸收利用[8]。③微量元素方面。有研究证明，微藻虽能通过光合作用以自养方式生长，但是超过一半的藻类的生长需要维生素B12(钴胺素)，也有少部分藻类生长需要维生素B1(硫胺素)，而细菌可以提供藻类所需的微量元素[9-10]。

1.2 相互竞争关系

藻菌之间的相互竞争主要表现在以下四个方面：①对营养物质的竞争。微藻与微生物都会吸收污水水中的氮磷等作为自身的营养物质。当一些污水中氮磷等营养物质较低，无法满足藻与微生物共同生长的需求时，彼此之间就会表现出明显的竞争关系[11]。②对O2的竞争。当在无光环境中时，微藻进行呼吸作用也会吸收外界环境中的O2，因此微生物就会与藻类竞争O2[12]。③藻毒素/细菌毒素的抑制。微藻会产生藻毒素，释放后会抑制微生物生长甚至毒害微生物；细菌也会释放细菌毒素，以此抑制藻类的生长，甚至会裂解藻细胞[10]。④pH的影响。李小霞等[13]通过研究发现，当藻类进行光合作用时，会导致pH升高，从而对微生物产生毒害。

2 藻菌共生系统污水处理模式

利用藻菌共生体系处理污水的理念最早是由William Oswald提出的。随后许多研究者们开始关注藻菌共生培养，以共生体形式存在的培养物(微藻-细菌、微藻-真菌、多菌多藻)因其具有较高的营养去除能力和生物量增加而被广泛报道，并用于污水处理(表1)。

表1 利用藻菌共生处理污水以及生物量的积累Table 1 Wastewater treatment and biomass accumulation by symbiosis of algae and bacteria

2.1 微藻-细菌共生体系

目前，藻菌共生体系中，微藻-细菌共生体系研究最多，该体系一般需要借助固定化技术，例如借助于吸附剂、包埋剂、交联剂等[21]。牛曼[22]采用海藻酸盐包埋法对蛋白核小球藻和好氧活性污泥进行混合固定化，并研究了固定化藻菌系统对高浓度有机污水的降解效果，结果发现，当固定化小球的粒径为4 mm时，对污水中的COD、氨氮和磷酸盐的去除效果最好，去除率分别为74.8%，83.4%，71.7%。

许多研究表明，微藻-细菌共生处理污水时，细菌不仅能加快微藻的絮凝，而且能加快对污水中污染物的去除。刘茜等[23]分别研究了单藻与细菌-微藻共生培养对污水中COD、总氮和总磷去除效果以及对生物量的影响。结果表明，藻菌共生处理污水时，不仅能提高对污水中的COD、总氮和总磷的去除，而且能提高生物量的产率。

2.2 微藻-真菌共生体系

有研究者发现，一些真菌像丝状真菌与微藻构成共生体系时，一方面可以起到固定化载体的作用，使得真菌吸附于藻细胞外部，保护藻细胞的同时并为其提供营养物质[24]。另一方面，真菌有助于微藻絮凝，并能显著提高生物质产量以及脂质的积累[25]。Muradov等[26]研究发现，真菌与微藻构成的共生体系对废水中氮磷的去除效果明显由于单菌或单藻。Walls等[18]利用栅藻与野生真菌构成的藻菌体系处理城市污水，结果发现，可以去除100%的总氮和96%的磷酸盐，并积累了2.74 g/L的生物量。

2.3 多藻-多菌共生体系

传统的活性污泥法虽然能有效地去除污水中的污染物，但是污泥沉积量大，很难处理。后来，一些研究者通过不断地探索，在活性污泥的基础上，发展出了固定化多藻多菌系统。此系统具有明显的产污泥量少、对污染物耐受性强、固液分离速度快等优点[27]。陈志华[19]用螺旋藻和活性污泥构成的多藻多菌系统处理生活污水，发现可以去除88%的COD、88%总氮和77%的总磷。 Amin 等[21]研究了普通小球藻与活性污泥构成的多藻多菌系统对市镇污水中COD的去除效果以及生物量积累的影响，结果发现，对COD的去除效果比较好，去除率为64%，并积累了10.42 g/L的生物量。

3 菌藻共生系统在污水处理中的应用

3.1 去除氮

藻菌共生体系中，氮的去除主要涉及以下五个方面：①同化作用。同化作用主要去除无机氮(硝酸盐、亚硝酸盐、氨氮)，即藻菌体系将污水中的硝酸盐、亚硝酸盐先还原为氨氮，然后继续合成氨基酸，氨氮也可以直接被同化[28]。②氨挥发。研究发现，当pH>8 时，氨将以氨气的形式从水中挥发[29]。③氨化或矿化作用[27]。即污水中的有机氮(氨基酸、蛋白质等)被微生物分解为氨，然后氨再以氨气的形式从水中挥发。④硝化及反硝化作用去除[30]。

3.2 去除磷

3.3 去除重金属

污水中适量的重金属能够促进藻类的生长，但是过量的重金属不但会抑制藻类生长甚至会对藻类产生毒害作用。藻菌共生系统对污水中的重金属主要通过生物吸附作用去除[33]。这些生物物质细胞壁含有醇、醛、酮、羧基、醚等官能团，故增强了对金属去除的吸附活性。有研究证明，活的和非活的藻类生物量都可用于重金属的生物吸附[33]，由于死藻类生物量的生长不需要任何生长介质，因此这是使用非活的藻类生物量比活的的主要优势。影响吸附过程中的重要因素有生物量、pH值、温度、吸附剂用量、金属浓度和接触时间等[34]。

3.4 去除其他难降解有机物

一些工业污水如食品加工污水、印染污水、制药污水、造纸污水等里面还有大量的难降解有机物(氰化物、偶氮染料、抗生素、有机氯等)，这些难降解有机物具有毒性，且污水中污染物浓度高，成分复杂，不经处理直接排放，会对微生物的生长产生危害。有研究报道，微藻对难降解有机物有很好的耐受力[35]，且构建的藻菌共生体系对这些难降解有机物能有效的去除[11]。Yin等[36]采用藻菌共生系统处理含有 500 μg/L 的磺胺类抗生素的城市污水，处理120 h后发现，藻菌共生系统能对此类抗生素完全去除。

4 菌藻生物质资源化利用

污水处理系统产生和收获的生物质既可以通过热化学和生物转化为生物燃料(生物柴油、生物乙醇、生物氢、沼气等)，也可以生产高附加值产品(食品、药物、化妆品、饲料等)[37]。

4.1 生物燃料

化石燃料资源的枯竭及其排放引发了寻找替代能源和可再生能源的积极研究，而生物燃料是可以替代化石燃料的可持续能源。由于藻类具有重要的生物分子合成碳水化合物、蛋白质、脂质和其他生物分子的能力，因此藻类被认为是生物燃料生产的一个可行的可再生宿主系统[38]。并且许多研究也证明一些藻菌构成共生体后，能够提高生物燃料如生物柴油、生物乙醇、生物氢、沼气等的产率。

4.1.1 生物柴油 有研究证明，当产油藻与菌构成共生体后，可以增加生物质的产量，同时也能提高油脂的产量。例如Muradov 等将产油微藻与真菌构成共生体后处理养猪废水，研究表明，共培养体系不仅对污染物能较好的去除，而且增加了总生物质及脂质产量；并对菌藻生物质进行水热液化处理后，获得了生物柴油，表明真菌-微藻生物质是一种有潜力的生物燃料生产原料[39]。

4.1.2 生物乙醇 生物乙醇是化石燃料的替代能源。在过去的几十年里，生物乙醇是由农作物发酵产生的，主要是富含碳水化合物或糖的食物来源，如玉米、小麦种子、甜高粱、甘蔗、大豆等[40]。有研究证明，藻类生物量富含碳水化合物(占生物量干重的12%～50%)，相对于其他原料生长更快，对栽培条件的变化更具有灵活性，因此具有巨大的生物乙醇生产潜力[41]。另外，Polikovsky等[42]研究发现与无菌培养相比，藻与工程菌共生培养后，可以提高生物乙醇的产量。

4.1.3 生物氢 生物氢(H2)是一种可再生、无污染、高效的能源。传统的生物制氢是通过煤气化或水电解等方法产生的，这些制氢的方法因此投资成本高，产量低，是不经济的[43]。但是利用藻类生物量生产氢气的技术由于其可以弥补传统制氢方法的缺点已受到关注。Liu等[44]利用大型藻海带与细菌混合后厌氧发酵制氢。结果表明，在初始pH值为 6.0、底物浓度为2%的条件下，热处理后的生物质最大产氢量为(83.45±6.96)mL/g，产氢量约为28.4%。

4.1.4 沼气 沼气是指生物质厌氧消化产生的气体混合物。有研究证明，含脂量较高的藻类生物量具有较大的产沼气潜力，并且藻与细菌构成共生体后，既可以改善水质，也可以产生沼气。例如Xu等[45]从小球藻中分离出内生细菌，并与寄主微藻共培养，结果发现，分离出的菌株能促进小球藻生长，同时能提高养分去除效率并产生沼气。

4.2 高附加值产物

藻细胞中富含丰富的蛋白质、色素、氨基酸、矿物元素等。采收的生物质经加工后还可以生产高附加值产物(表2)。

表2 生物质在肥料、食品、医药、饲料、化妆品领域的潜在用途Table 2 Potential uses of biomass in fertilizer，food，medicine，feed and cosmetics

5 总结与展望

藻菌共生系统作为一种新型的污水处理技术，在污水处理及资源化利用领域具有极大的发展前景。但是仍有许多方面需要进一步改进：

(1)污水类型不同，所含污染物的浓度及成分不同，因此需要进一步筛选能够适应高浓度污水或一些极端条件(极端温度、pH等)的藻类。

(2)虽然藻菌共生系统在污水处理方面有显著优势，但是藻菌之间的相互关系、代谢机制以及各自所发挥的作用不明确，因此需要进一步探究藻菌共生去除污染物的机理。

(3)由于微藻体积小、质量轻，污水处理后，对微藻的回收存在困难，因此需要进一步研究性能好、价格低廉的固定化载体以及回收成本低、回收效率高、环境友好型的微藻回收技术(自动絮凝、生物絮凝等)。

(4)菌藻生物质进行加工生产生物燃料或高附加值产品方面，工艺复杂，技术不够成熟，因此需要进一步开发仪器设备，并优化工作参数。