藻菌共生系统处理畜禽沼液的机制及影响因素研究进展 | 彭博士工具屋

一图不看也要知道的几件事

• 中国畜禽沼液年产量可高达 10 亿 t，沼液含氮磷钾等养分，同时含重金属（Cu、Zn、Cd、Cr）与抗生素等风险因子。
• 典型沼液水质：总氮 200–5500 mg/L、总磷 7.0–716 mg/L、难降解有机物 300–18000 mg/L（COD 计）。
• 小球藻（Chlorella vulgaris）对污染物耐受性高、可忍受高 CO2，是藻菌共生系统中应用最广的微藻。
• 小球藻与地衣芽孢杆菌组合处理第 10 天，可溶性 COD、总溶解氮、总溶解磷去除率分别达 86.55%、88.95%、80.28%。
• 斜生栅藻与巨大芽孢杆菌共培养后，总磷与 NH₄⁺-N 去除率较单一微藻分别提高 18.19% 与 53.49%，COD 去除率高达 85.98%。
• 藻菌配比存在最优值：小球藻与 Shinella sp. YHB03 以 20:1 时协同效应最强；另一研究中 5:1 时叶绿素 a 最高达 753.18 μg/L。
• c-di-GMP 浓度达 3.85 μg/g 时，系统被认为具有较强群体感应信号接收能力。
• 小球藻 HS2 的光饱和点为 450 μmol/(m²·s)；多数藻菌理想 pH 为 8.2–8.7，微藻适宜温度 20–30 ℃。
• 微藻-活性污泥系统在外加葡萄糖作电子供体时，总铬去除率高达 93%；Cu 浓度超过 208 mg/L 时小球藻生长受 50% 抑制。

研究背景与要解决的问题

随着畜禽养殖与沼气工程规模扩大，沼液产量剧增。沼液还田虽是当前最经济的方式，但沼液量与消纳土地的矛盾加剧，长期还田还有诱发土壤重金属与抗生素累积的风险。

沼液成分复杂、C/N 低、可生化性差，单一活性污泥法脱氮除磷效果不佳、曝气耗能大，并产生 CO2 与甲烷等温室气体（甲烷温室效应潜力约为 CO2 的 30 倍）。

微藻-细菌共生系统作为新兴方法，通过藻菌协同提高污染物吸附降解能力，并同步实现污染物去除、CO2 利用与微藻生物质生产；末端生物质中脂质与聚羟基丁酸酯丰富，具替代化石燃料与塑料的潜力。

现有藻菌共生研究多集中于低浓度生活污水，用于沼液资源化处理的案例较少，规模化应用潜力尚未释放。

概念与技术边界

体系与方法

主要结果（原文图表逐条解读）

图示信息：示意小球藻与地衣芽孢杆菌共生的三类作用：营养交换（微藻光合产生有机物、O2 供细菌呼吸，细菌矿化释放 CO2 与碳氮磷供微藻）、信号传导（自诱导肽、c-di-GMP 通路，涉及二鸟苷酸环化酶与 GMP）、基因转移，并区分单独生长与粘附生长两种状态。

论文结果：图中给出三类共生作用的具体分子路径：微藻分泌胞外有机物与多糖分子刺激细菌，细菌经 c-di-GMP 受体放大信号合成多糖并粘附；营养交换形成 C、N、P、CO2、O2 的循环并带来生物质产出。

研究意义：该机制图说明藻菌共存并非简单混合，而是由营养、信号与遗传三个层面耦合维持；附着生长状态与胞外多糖合成是系统稳定与生物质产出的关键环节。

图示信息：分三个环节示意图：(a) 预处理——沼液经泵、过滤、絮凝沉降；(b) 驯化-共培养——微藻与细菌的菌种分离纯化后共培养；(c) 光生物反应器——人工灯光与自然光、监测器、循环泵、排气阀孔、藻菌生物膜、曝气装置与出水。

论文结果：图示封闭式反应器运行环境为密闭透明管或柱，几乎不受外界干扰，稳定且易于调控，是目前研究较多的培养系统；反应器内设有藻菌生物膜、曝气与循环装置。

研究意义：封闭式反应器可提高藻菌的稳定增殖与生物质收获效率，但需要与前端沼液预处理衔接；文中指出封闭式存在造价与运行成本高的问题，可考虑先用封闭式扩培、再接种入开放式反应器的组合策略。

图示信息：以微藻与细菌两个主体示意污染物去除路径：光合作用与呼吸作用驱动的营养交换、硝化（NH₄⁺-N→NO₂⁻→NO₃⁻）与反硝化（生成 N₂）、pH 大于 8 时氨挥发与 pH 为 9 时磷沉淀、有机物的水解-矿化-共代谢与抗生素的生物降解/吸附/生物累积、重金属的吸附与生物积累，以及信号传导与基因转移。图中还给出微藻光合作用的化学计量式。

论文结果：氮磷去除分为直接吸收（微藻优先利用 NH₄⁺-N，其次 NO₃⁻-N、NO₂⁻-N，并合成氨基酸；磷经光合磷酸化与底物水平磷酸化同化）与间接作用（pH 升高促使 NH₃ 挥发、pH 9 时磷与 Ca²⁺ 沉淀）；有机物先经细菌降解矿化为 CO2 与溶解有机碳，再与微藻营养交换；重金属以微藻生物吸附为主，伴细菌氧化还原与甲基化。

研究意义：该图把藻菌系统的去除机制归为生物吸附、生物降解与挥发去除三类，说明处理效果来自藻菌分工而非单一途径；相邻的小球藻与地衣芽孢杆菌案例显示共生较单一微藻可明显提高去除率。

机制小结

• 营养交换是藻菌共生最常见的作用类型：微藻利用 CO2 与无机营养合成有机物并以溶解有机物、氨基酸与 O2 形式释放，异养细菌分解矿化有机物并向微藻回供 CO2、有机营养与酶，形成稳定循环；EPS 主导系统形成并为细菌提供庇护。
• 信号传导通过 AHLs、c-di-GMP、自诱导肽、吲哚乙酸等分子调控藻菌基因表达与生理活动，污染物胁迫下细菌常增强 QS 表达以提高抗性；硫化杆菌可将硅藻分泌的色氨酸转化为吲哚-3-乙酸促进硅藻分裂。
• 水平基因转移以细菌向微藻为主，可使微藻获得尿素循环酶基因（快速解除氮限制）、铁蛋白吸收基因与重金属耐受基因；沼液中污染物诱导的抗性基因亦具转移潜力。
• 氮磷去除分直接吸收与间接作用：微藻优先同化 NH₄⁺-N，磷经光合磷酸化同化；pH 升高（>8）促氨挥发、pH 9 促磷与 Ca²⁺ 沉淀。
• 难降解有机物（以抗生素为例）主要通过生物降解与生物吸附去除，降解依赖胞外酶催化的水解与氧化，吸附则由菌藻细胞壁与 EPS 承担（EPS 蛋白色氨酸可与四环素直接结合）。
• 重金属去除以微藻生物吸附为主：EPS 官能团（羧基、氨基、羰基、羟基）捕获金属，细胞壁带负电经静电吸附结合金属阳离子；细菌经氧化还原、甲基化、离子交换与无机微沉淀降低毒性。

工程与产业含义

• 系统构建需协调前端沼液预处理与反应器对接，可采用多孔粗糙材料（棉片、玻璃纤维、尼龙网等）促进藻菌附着生长。
• 固定型藻菌系统通过吸附与包埋实现水力停留时间与藻菌停留时间分离，运行稳定、反应快且微藻易收获，但缺乏适用的新型固定化载体，常用载体存在微毒性、不稳定、易被微生物分解等问题。
• 可结合封闭式与开放式反应器优势：前期用封闭式快速增殖藻菌，后期接种入开放式反应器规模化处理。
• 末端微藻生物质收获与精炼仍是技术瓶颈，低成本、低风险、高效益的收获与精炼是打通全链条的关键。
• 以沼液为处理对象时需在运行中定期监测进出水状况，调整碳氮磷比例与曝气、光照等参数，避免营养过饱和或不足导致系统失衡。

适用与不适用场景

局限与不确定性

数据 · 代码 · 经费 · 利益冲突

来源与链接

• 原文 — https://doi.org/10.11975/j.issn.1002-6819.202305029